超导系统

申请号 CN200980150585.2 申请日 2009-12-03 公开(公告)号 CN102356437A 公开(公告)日 2012-02-15
申请人 麦格尼法恩有限公司; 发明人 T·A·库姆斯;
摘要 本 发明 主要涉及用于对超导体进行磁化的方法和设备。描述的方法通过对磁体进行自动控制以生成通过所述超导体表面的磁通变化波来改变超导体的磁化,磁通变化波特别是磁通变化 驻波 。在方法的优选 实施例 中,超导体位于包括 铁 磁或亚铁磁材料的磁路中,并且方法还包括在改变超导体的磁化期间或在改变超导体的磁化后调节磁路。
权利要求

1.一改变超导体磁化之方法,此方法包括自动化控制一磁场产生磁通变化波,此波通过所述超导体表面。
2.按照权利要求1叙述方法中超导被置放于包含磁材料的磁路中,此方法包含在充磁中和充磁后调节磁路参数。
3.按照权利2叙述之方法,调节是通过控制铁磁材料的温度实现的。
4.按照权利要求2或3叙述之方法,调节还包括打开所述磁路。
5.按照权利要求4方法中所述打开磁路是通过将铁磁材料加热超过居里点实现的。
6.前述的改变超导材料磁化强度的方法是通过自动控制前述磁体在超导表面产生磁场驻波
7.前述的改变超导材料磁化强度的方法,其中施加磁场的上升和下降时间是不同的。
8.前述的改变超导材料磁化强度的方法中所施加的驻波周期相对于施加驻波的间隔时间而言,时间上的差别可以是10%,50%,100%或者200%。
9.前述的改变超导材料磁化强度的方法中的磁体为电磁体,而在充磁结束后所述超导体表面的磁化强度要比电磁体施加的最大磁场强度高。
10.前述的改变超导材料磁化强度的方法中的磁体为电磁体,电磁体的控制包括使电磁体产生幅值随时间变化的周期波。
11.按照权利要求10叙述之幅值是随着时间减小的。
12.一种应用在磁场成像系统中,使用上述手段来控制超导的磁化强度的方法。
13.一用来磁化超导体之设备,此系统包括自动控制磁铁在超导体表面产生磁场波。
14.按照权利要求13叙述的设备包含一个磁路,超导体被置放于该磁路中,此设备还包括在充磁过程中和充磁后改变磁路的磁阻的方法。
15.按照权利要求13或14叙述的设备是电磁体,其进一步包含控制此电磁体所之产生幅值随时间变化的周期磁场波。
16.按照权利要求13,14或15叙述的设备中,自动控制超导体表面磁场波包含了在超导表面产生磁场驻波的概念。
17.包含了13,14,15或16设备的磁场成像设备。
18.通过控制超导表面外加磁场幅值的大小来控制超导体磁化速率的方法。
19.通过控制超导表面外加磁场幅值的大小来改变超导体最大磁化强度的方法。
20.如18或19所述通过控制超导表面外加磁场幅值的大小来改变超导体磁化强度的方法,其中不同幅值的磁场波在充磁的不同阶段被用到。
21.通过控制超导表面外加磁场幅值的大小来改变超导体磁化强度的方法,外加磁场的复制随着时间增加而减小。
22.如21所述的通过控制超导表面外加磁场幅值的大小来改变超导体磁化强度的方法,后续的变化磁场波有连续减小的幅值。
23.如22所述的改变超导磁化强度的方法包括了为超导材料充磁的概念。
24.按照权利要求18到23叙述的方法,超导体被置放于包含铁磁材料的磁路中,在充磁过程中和充磁后改变磁路的磁阻。
25.按照权利要求24叙述的方法,改变磁阻是通过改变铁磁材料的温度实现的。
26.按照权利要求24,25叙述的方法,改变磁阻是包含打开磁路的概念。
27.按照权利要求26叙述的打开磁路的方法是通过将铁磁材料加热到居里点温度以上实现的。
28.按照权利要求18到27所叙述的应用在磁场成像设备上的改变磁体磁化强度的方法。
29.改变超导磁化强度的设备,包括施加变化磁场波的方法,而且此波的幅值随着时间增加而减小。
30.按照权利要求29叙述的设备,超导体被置放于包含铁磁材料的磁路中,设备提供在充磁过程中和充磁后改变磁路磁阻的方法。
31.包含权利要求29或30设备的磁场成像设备。

说明书全文

超导系统

技术领域

[0001] 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,以及新型的磁化超导体。

背景技术

[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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

[0005] 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)。
[0006] 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%。
[0007] 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。
[0008] 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
[0009] 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)。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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,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。
[0015] 本发明提供改变超导磁化强度的设备信息,包括自动控制磁体来在超导体附近产生驻波的方法。
[0016] 本发明提供改变超导体磁化强度的设备,并包括自动控制磁场来产生通过超导体表面附近的磁场驻波的方法。
[0017] 技术人员会知道这样的驻波可以用很多方法来产生,例如采用可控电源来增加和减少电磁铁线圈中的电流。
[0018] 本发明提供改变超导体磁化强度的设备,并包括自动控制磁场来产生通过超导体表面的变化磁场波的方法。
[0019] 此方法还包括在超导表面重复施加磁通波。每一个经过的磁通波都能通过感应持续的电流来增加超导体内部的磁场。实际应用中所施加在超导体上的磁场要比超导体的临界磁场大,例如第一类超导体的第一(并且唯一)临界磁场。如果采用第一类超导材料,磁通波必须足够大来保证磁力线会进入超导体,磁力线会被扫入超导体内部,例如中心位置
[0020] 此方法更倾向于采用第二类超导体,这时所施加的磁场强度需要大于第一临界磁场(HC1)。通常情况下HC1是很小的,在20mT左右,但此技术使得超导体能被磁化到第二临界磁场附近,通常来说,第二临界磁场要大于1,5或者10T,甚至到40或者50T。这样大的磁场会对超导体本身施加排斥力,会导致很大压力的出现,因此,特别是使用高温超导材料的时候,需要采用机械固定的措施来防治超导体损坏。
[0021] 本发明藉由施加的时变行波磁通(也就是行波磁场)累加或者递减超导体材料内的磁化程度达成超导材料的磁化,去磁化,或动态改变超导的磁化程度。当对超导材料充磁时,磁场被控制成能够在每次行波磁通扫过超导体表面后增加材料内的俘获磁场,如此一来,数次弱磁场扫描便可以在超导体内叠加出相当强的磁场。
[0022] 当超导体处于变化磁场中,抵抗外磁场变化的感应电流会在超导体内部产生。超导体不是完全的导体,所以电流会依照与温度相关的一个速度衰减。温度越低,衰减越慢。电流衰减的速度结合电流产生的速度,外加临界电流,规定了最后超导磁化强度的大小。时变行波磁通可以通过运动的磁场源产生,例如下面会诉述到的行波热波,也可以是通过固定在横向的磁体的开关或者通过磁体对超导体的相对运动产生。当磁场被打开(或者关闭),磁场会增加(或者减弱),超导体会感应到一个时变磁场从而感应出电流。超导体感应到的磁场波可以通过磁场的开关或者磁体相对超导体的近(远)运动产生。这里所说的磁场可以是任何磁场源,可以是永磁体,电磁体或者由永磁体或者电磁体驱动的铁磁材料线圈。
[0023] 原则上行波磁场可以由一绕组产生,但本发明中使用较优越的固态方法(solid-state approach).因此可以更好的实现自动控制充磁磁场,具体来说便是控制超导体表面的可磁化材料层中的有序磁场波。从专业度看来,本方法的优越点为可磁化材料无需直接接触超导体表面,可将两者分离的优势会在之后详述;然而,可磁化材料与超导体表面最好能够保持一定程度的接近以避免产生过多漏磁并增加充磁效率。与超导体具有相似尺寸的可磁化材料层是较好的选择,其厚度由数微米到数毫米不等。在较好的实施例中,可磁化材料层的制作采用厚膜或薄膜技术。
[0024] 本方法中的磁通顺序涵括任何广为人知的磁序种类,例如铁磁性亚铁磁性、逆磁性等以及其变量如倾角(canted)磁性、螺旋(helical)磁性、低维(reduced dimensionality)磁性和其它各种磁通顺序。然而广泛来说,有序磁场波是由一组特定类型的磁排列组成;例如行波磁场可由一行进之磁场脉波组成,或在有磁序材料中通过一无磁序的脉冲--其效果等同于磁通变化。
[0025] 可磁化材料本身不需具有很大的自发性磁场,在此情况下的充磁磁场的替代方法可以籍由降低(或等量增加)可磁化材料的区域磁阻来集中一独立外加与超导体的磁场。此种磁序是由分配不同磁阻的磁通路增加区域性外部磁场所造成的。
[0026] 在某些特别实施例中,在超导体中施加一脉冲电流所产生的行波热流可用来加热(或冷却)电流导体。需选择不同的超导特性,(如阻值、尺寸),以及/或改变通过脉冲电流的大小来达成特定的加热(冷却)结构,此生成的行波热流可控制磁通顺序。例如,一个脉冲电流可以产生一通过超导的脉冲热流,将超导体材料区域性加热超过居里点(Curie point),籍此在有序地超导体材料中产生一个区域性磁序扰动的脉冲。在众多良好的磁性材料中,普鲁士蓝(及其类似物)被认为是适宜本方法的磁性材料之一。磁性材料的选择取决于生成的行波热流大小以及(或)超导临界温度等等。然而,在实施例中,磁化排序发生于一有序温度,而此热波在材料内产生一温度的变化将按照其有序温度从材料的一侧转移至另一侧。
[0027] 此发明另一层面为磁化超导体的方法:籍由在目标超导体上重复施加一大于其临界磁场的外部充磁磁场。
[0028] 此方法在某些优质的磁化实施例上,超导体的磁矩最少可达到充磁磁场的1.5倍。然而在重复施加磁场的应用上,超导体内磁场可达到外部重复充磁磁场的2、5、10甚至100倍以上。
[0029] 另外重复施加不同幅值的磁场将加速磁场在超导体内部的积累,而最后所达到的峰值磁场也将随之改变。例如在初始阶段施加一个大磁场以便快速磁化超导体,在随后的阶段,施加较小的磁场将使得磁化强度的幅值得到精确的控制,也便于增加最终磁化强度。
[0030] 因此更进一步说,通过自动控制超导表面磁场波的幅值,本发明提供了一种控制超导体磁化速率的方法。
[0031] 通过自动控制超导表面磁场波的幅值,本发明也提供了一种控制超导体最大磁化强度的方法。
[0032] 在上述方法中,不同幅值的磁场在磁化的不同阶段被施加到超导体表面。
[0033] 本发明对比了幅值大小不同的两种行波磁场对磁化强度的影响。超导体m0的峰值是相同的,但仿真结果显示:使用幅值较大的行波磁场充磁的速率较快,但令人吃惊的是,采用幅值较小的行波磁场能产生平均值较大的m0。这是因为峰值磁场是位于圆周中部,而在圆周外圈的m0绝对值被经过的磁场波减弱。因此最理想的充磁方法是在开始的时候施加幅值大的磁场便于完全充满超导体,而在结束的时候采用幅值小的磁场去获得最好的M0。
[0034] 因此本发明提供和改变超导体磁化强度的方法,此方法采用时变行波磁场,而且此时变行波磁场的幅值随着时间逐渐降低,因此在后续磁化过程中时变行波磁场的幅值比开始阶段要小。
[0035] 本发明同时也提供了控制和改变超导磁化强度的系统,详细地方法如上述。
[0036] 本发明同时也提供改变超导磁化强度的设备,此设备能为超导体提供时变行波磁场,而且此行波磁场的幅值随着时间减小。
[0037] 在具体实施过程中,本技术常用来充磁一个超导体,而此超导体磁场的变化会协助第二个超导体的磁化。因此上述方法和设备可以用来为一系列相邻的超导体依次充磁,通过为第一个超导体充磁来实现连充磁反应。
[0038] 此处提出一用来磁化超导体的系统,磁化系统由一套产生通过超导体表面的行波磁场的时变磁通生成装置所组成。
[0039] 因此此装置自带有一套控制系统,可控制超导体材料中的磁通顺序以产生充磁行波。精确的说,此控制系统可被设置为可生成行波热流,并由此改变超导材料内的磁通顺序。意即此控制系统包含例如由可调控电流源驱动的导体以输出目标驱动电流波形,例如一脉冲型驱动电流。
[0040] 更进一步说,本发明提供磁化超导材料的系统,此系统包含采用反复对超导体施加大于临界磁场大小的磁场来实现磁化超导体。
[0041] 如上所述,控制如普鲁士蓝及类似物等可磁化材料层片内的磁通顺序可以生成一重复施加的充磁磁场。虽然在预设的实施例上,我们采用热流波达成磁化的实现,但某些可磁化材料,包括稍后列出的数种普鲁士蓝的类似物,能够使用如激光之类的光磁化之。此类以光学设备及方法磁化的实施例,其施加于超导体上的充磁磁场由改变光通过可磁化材料的路径所产生,例如以激光扫描过整片可磁化材料。
[0042] 此外,本发明亦提出一超导磁通泵;此一超导磁通泵组成元素包括:一层超导体材料、一层覆于前述超导体材料上的磁性材料,此磁性材料能在两种磁态间行热转换,其中至少任一磁态可磁性连结超导材料层;除了超导磁料层和磁性材料层外,构成此泵的另一元素为一和前述磁性材料层热接触的导体,此导体的配置使其能够籍由内部通过的电流控制磁性材料层的热转换。
[0043] 一层置放于超导材料层和磁性材料层之间的间隔材料可提供更好的热绝缘(例如在使用动态热脉冲生成充磁行波磁场的实现方法)以及(或)电绝缘(例如使用超导产生取决于磁性材料的热导系数和导体的位置的动态温变)。另外磁性材料和超导材料可以被物理分割,例如在磁通泵的不同部分或者放置于不同的容器内。例如在磁通泵的具体实现中,超导体可以被放置在一个容器中,然后通过使超导材料和磁性材料足够靠近来实现超导体的充磁和去磁。因此在具体实现中,超导体容易可以被插入一个带有磁性材料比如普鲁士蓝或类似材料的磁场充放设备,设备的背景磁场可以由磁体或者电磁铁产生。
[0044] 因此本发明提供由两部分组成的超导磁通泵,第一部分包括超导材料,第二部分包括充磁去磁的单元。此充去磁单元包括可供开关的磁性材料元件,和控制开关的系统。在磁通泵中,超导体可以被放置在可开关的磁性材料附近,从而通过开关磁性材料来改变超导体的磁化强度。控制开关的系统提供开关磁性材料的热学条件,以及背景工作磁场。
[0045] 超导体材料的选择上偏好使用所谓的化物超导体,尤其是钇钡铜氧化物YBCO.
[0046] 本发明亦提供一具有一群单元点之超导装置,其中每一单元点均包括一上述之磁通泵。(技术人员应当了解本文提到的超导装置以及超导磁通泵等并不仅限狭义处于其超导状态下的装置或超导磁通泵。)
[0047] 一旦实施例中的第一个单元点被磁化后,其周围单元点的外磁场会增加,因此整普鲁士蓝的外磁场均会增加;是以在第二个单元点被磁化时,通过磁通泵产生的磁化程度会大于第一个单元点。因此首先被磁化的超导体单元可用来协助第二个超导体单元的磁化;较先被磁化的超导体单元,因此类推,有助于稍后超导体单元之磁化。
[0048] 可见本发明提出磁化一系列相邻超导体的技术,此技术籍由磁化序列中的第一个超导体单元,并以其中生成的磁通连接序列中第二个超导体单元并磁化之。
[0049] 类似地本发明提出磁化一系列相邻超导体的系统,此系统籍由磁化序列中的第一个超导体单元,并以其中生成的磁通连接序列中第二个超导体单元并磁化之,由此磁化第二个超导单元。
[0050] 上述超导磁通泵装置可用来生成点阵化(pixellated)的磁场,值得注意的是,其方向垂直于装置平面,且其大小和形状可由每个单元点的磁化程度定义之。因此容许特殊形状磁场的生成,例如在平面上生成一块区域平板磁场。
[0051] 因此本发明亦提供定义一个区域磁场大小的方法,此方法包括一系列的超导体,通过控制超导体的磁化强度来定义区域的磁场大小。
[0052] 专业人员会理解所谓超导体单元群可以为同一块超导体的一部分,亦即前述可磁化材料层和(或)超导体材料可以为一层连续材料,例如以单元点图形化(参照后述的图1b和1c)。更进一步的实现中,磁开关材料层可以包括一连续材料层(如后述图1b)。通常实施例会提供一间隔材料或热绝缘层介于可磁化或磁开关材料层与超导体或超导性材料层之间,但在某些实施例中可以不使用此绝缘层,例如工作于超导体临界温度之下的磁开关材料层,尤以工作温度远低于临界温度者为佳(例如使用普鲁士蓝或其类似物以及YBCO的状况下)。
[0053] 本发明也包括相关的超导磁性装置,此装置涉及一超导磁性单元,此超导磁性单元带有一超导体区域以及一施加行波磁波于前述超导体区域的系统。
[0054] 此项超导磁性装置包含一组用来将指定的超导磁性材料寻址之电极,并施加一行波磁波以磁化(或去磁化)寻址后之单元。如同前述,本装置可更加的由一组磁性单元点组成。每一个单元点都可以构成一超导磁通泵,精确的说,是配以一用单元点图形化的可磁化材料层以及和其对应的一群超导磁性单元。实施例中的可磁化或磁开关材料和(或)超导体材料可以为一连续材料层饼选择性(非必要性)的以一绝缘材料层隔离之。用来施加磁波之系统偏好由一用来磁化(或去磁化)超导体的可磁化材料区域构成;更好的系统进一步包括至少一个电导体,用来施加热行波于可磁化材料之上,并籍由可改变磁性材料的磁序产生可磁化材料之行波磁波(变动磁场)。
[0055] 此发明进一步提出一可磁化超导体,其包括一超导表面,位于此表面上之可磁化材料层以及一介于两者之间的热绝缘区域。
[0056] 此热绝缘区域在实现上涉及一气隙,亦即能区隔可磁化材料层与目标磁化或去磁化超导材料层。在此所谓表面并不局限于平面。
[0057] 可磁化材料层偏好使用在温度低于100K且高于所述超导体在无磁场情况失去其超导特性之温度的条件下,所述材料磁序会自动排列。如磁铁或亚铁磁材料的居里温度相对接近超导材料之临界温度,例如在不超过10K,50K或者100K以上。然而在某些状况下,实施例仍然可操作于较大温差条件下,例如500K甚至100K,其温差耐受取决于热绝缘程度。值得一提的是,在某些配列下,热绝缘区域只需提供部分热隔离设置可以被省略之。
[0058] 另一方面,本发明提供一表面之已磁化的超导体,以及以上述表面法向量定义之轴;在没有外加磁场的情况下,大体上区域中的磁场强度随于前述轴的距离增加而变化。
[0059] 具体实现中,超导体的表面偏好于平坦的,而定义的轴可以用来定义超导体的对称性。这里提到的磁化方法是一种新的为超导体充磁的方法。
[0060] 另一方面,本发明提供一表面之已磁化的超导体,以及以上述表面法向量定义之轴;在没有外加磁场的情况下,此已磁化超导体具有至少一个区域,大体上区域中的磁场强度随于前述轴的距离增加而保持不变。
[0061] 在传统平面形磁体的去磁化作用导致了不能制造表面分布有近似常数之磁矩的磁体。传统上,这种形状的磁体其磁矩会向磁体中心下降。相反地,本发明实现的技术则使磁体之磁矩向其中心方向增加,例如一盘形超导体的磁矩向盘中心近线性增加的实现。循环电流的建立在概念上可以视为一群同心的扁平线圈。在这些虚拟扁平线圈中带有极为相同的电流,其合成磁场向超导体的对称轴增加。籍着变化变动磁场产生不同大小的感应电流,可以产生任意合成磁场,其大小介于向对称轴中心增加与向中心轴减少之间,特别是一与中心轴距离无关之恒定值磁场(意指跨越中心轴垂直于平面之磁矩至少在平面的中心区域保持几乎定值)。有许多用来建立循环电流的方法可以采用。其中之一是使用向超导体之对称轴递减之锥形导体;另一方法是使用前述之点阵化的可磁化超导体在平面之目标区域上产生一定值常数磁场。
[0062] 本发明更进一步提出一已磁化超导体,此超导体带有一群近似同心之循环电流,其循环方向相同但相对量值不同。
[0063] 在前述的磁化技术实现上,一中央环流以相反与同心循环电流群之方向流动。
[0064] 此处描述的技术可以产生强大磁场,例如磁矩峰值达到1特斯拉、2.2特斯拉、2.3特斯拉以上的强磁场(专业人员会理解超导体的磁矩与其磁化程度互为同义)。因此产生的磁场大于由现今电性材料中获得的磁场。
[0065] 本发明亦提出一近似平面之已磁化超导体,其磁矩至少为1特斯拉。
[0066] 举例来说,使用一典型之高温超导体,其带有1010安培每平方米之临界电流密度,要产生1.4热斯拉的磁场在实现上需采用直径1毫米、厚度90微米的平板超导;若要采用直径5毫米的平板超导体产生相同大小的磁场,经计算有效厚度约为45微米。此类型的超导体,仅需20毫特斯拉至30毫特斯拉重复施加的励磁磁场,即可将其磁化至1.4特斯拉。
[0067] 本发明所使用的基本原理是使用热流感应一动态磁场,由此造成一产生电流之电场。前述的具体实现即为在超导体内感应一持续电流,籍以生成一持续磁场。事实上,此处所述的技术可以使用于任何电导体(不仅是超导体)。在实现本发明的各方面所使用的超导体可以取代以任何能够在装置中扮演产生电力之热发动机的传统超导。
[0068] 于是此发明亦提出一由电源或光源产生电力之热或光发动机,此发动机涉及:将光度或温度变化转换为磁场变化之方法;以及将前述的磁场变化转换为电力的方法。
[0069] 发明人认为相似之概念可被采用为高效率太阳能电池基础
[0070] 由此可见,本发明的延伸层面提出一太阳能电池,包括:第一层材料构成一可磁性交变光投射的窗口;位于第一层窗口之下的第二层磁开关材料,其具有光响应磁化性;以及位于前述磁性材料生成之磁场中的导体。当光投射进第二层磁开关材料中,其内分子震荡产生了前述磁化程度之改变,并在导体中感应中电流。
[0071] 第一层材料偏好液晶材料组成。在太阳能电池的实现中包括磁化开关材料的方法,例如使用永久磁体产生一磁化磁开关材料的磁场。附图说明
[0072] 由此开始,要进一步举例说明本发明的各个层面,随例参照图说明如下:
[0073] 图1表示一超导磁通泵的立面图;
[0074] 图2表示由多个上述磁通泵单元组成的超导磁通泵,其中每一泵单元可为图1所表示的类型之一;
[0075] 图3表示图1所示的装置俯视图,采用图2装置所表示的泵单元寻址范例;
[0076] 图4为一模型之范例几何结构;
[0077] 图5至7演示了当磁场扫过超导体中心时,其中发生的系列步骤(由于左右对称,本图仅给出超导体右半部为代表);
[0078] 图8描述超导体中心的俘获磁通(平均磁场对于超导磁通泵之数量关系);
[0079] 图9演示和图7磁化过程相近之去磁化程序;
[0080] 图10描述去磁化过程中,超导体中心的俘获磁通(平均磁场对于超导磁通泵之次数关系);
[0081] 图11表示一磁超导体范例;
[0082] 图12描绘其磁通加乘效应;
[0083] 图13表示一太阳能电池范例;
[0084] 图14描述一具体实施本发明说明之各项技术的实验装置;
[0085] 图15绘出一NdFeB的B-H曲线;
[0086] 图16为一范例圆柱形普鲁士蓝对切后之俯视及截面图;
[0087] 图17为一普鲁士蓝之同质性元素在不同温度下的磁滞回线;
[0088] 图18a及b分别绘出图14所述设备的中心探测点和边远探测点所测加热及冷却过程磁通密度(毫特斯拉)对于温度(开尔文)的关系;
[0089] 图19描述中心及边缘探测点加热(右侧刻度)及冷却(左侧刻度)过程于临界温度的迈斯纳(Meissner)转换;
[0090] 图20描述中心及边缘探测点之数个泵周期中,磁通密度(毫特斯拉)对于温度(开尔文)的关系;
[0091] 图21表示一个及多个泵循环周期,一中心探测点量测之磁通密度(毫特斯拉)对于温度(开尔文)之图;一不连续现象发生于超导体失去其超导特性之过程曲线;
[0092] 图22a及b表示无超导体下的控制曲线;
[0093] 图23表示在方波,不对称波,对称波和行波磁场中的磁化过程(相对于完全磁化强度的比例),在图a至c中体现中施加不同种类的驻波的效果,在图d中体现了施加相同幅值形波的效果;
[0094] 图24a中i)至v)对应于图23a,表现了施加方波磁场后5个等分时刻的磁场分布和感应电流分布;同理图24b对应于图23b中不对称波的情况,24c对应于图23c中对称波的情况,24d对应图23d中行波的情况;
[0095] 图25a表示了幅值大的磁场导致磁化过程比幅值小的磁场快,而在图25b中显示小幅值的磁场能得到更大的最终磁化强度。

具体实施方式

[0096] 图1绘出超导磁通泵的立面图,而图2表示此磁通泵之一群泵单元,其中每一泵单元均可为图1中之一类型。
[0097] 在一些预设的实施例中,组成此一系统的元素包括:
[0098] 超导层
[0099] 绝缘层
[0100] 磁开关层
[0101] 热源/电导层
[0102] 其几何结构图示于图1及2中。图1表示其中一元素的立面图;图2为一群元素之俯视图。图1图2两者均仅用来阐述本发明之原理,并非作为最终装置的表述。有不同形式的热源,可用其驱动超导体之法向量及发生急速去磁化,或是依发明之简洁起见,以图1b所示一连续超导体层及(或)图1c所示之连续隔离层。
[0103] 简述图1之更多细节,在所有图1a到1c中,超导层1均与冷却槽(直接)热接触。一热绝缘层2覆盖于超导层1上:、在图1a中,全面覆盖超导层并与冷却槽接触;图1b中,覆盖超导层之上表面;而在图1c中,此绝缘层仅部分覆盖超导层之上表面。绘于三图之任一实施例中,绝缘层2将大部分或全部的磁开关材料层与其下之超导体层隔开(在图1c中,磁开关材料层3之部分与超导层接触,特别是在边缘部分)。第四层可与热源及(或)电源或热导体组成,偏好与磁开关层3直接接触,并可选择性的与隔离层2直接接触(图1c),且可和冷却槽接触(图1a)。图1a到1c所示之结构单元可复制于一整个区域,如此一来一或者多个超导层、磁开关材料层以及隔离层可以构成一连续材料层。除所绘范例外,层4(或由导体构成)可以覆于磁开关材料上而非图1b所示介于磁开关材料之间。更进一步的实施例中,隔离层可被省略,例如在磁开关材料(例如普鲁士蓝及其类似物)工作温度低于,最好相当程度低于超导体之临界温度。
[0104] 图2所示为均匀的网格状导体/热源。在实际运用以及特殊情况上,若是需要一固定的场图形则不在此例。例如将不同磁单元以不同次数开关之可产生一均匀的磁场分布,或使每一单元具有不同的尺寸。虽然图2之单元点分布将所有的单元点绘成近似等尺寸之单元,但专业人员会理解(在一个装置之内的)单元点可以具有不同的大小。
[0105] 接着叙述超导磁通泵较好的嵌入方式,超导层由下方保冷并由上方热绝缘层隔离之。冷却头与磁开关材料热耦合。典型的层4由一电流通过之导体(或一组导体)来调节顶层(磁性材料层)之温度。此分配使得我们可能沿磁开关材料送出热脉冲以切换其磁态,由磁性切换至非磁性或反之,并由此生成通过超导体之磁波。当此一磁波通过超导体时,磁通会被俘获于超导体中,而总俘获磁通的大小取决于送出脉冲的次数。由此可以产生正确的磁场分布。此一磁通可充升至较大值或减降之。磁场分布一旦建立,在超导体温度恒定下,此磁场分布亦保持稳定。
[0106] 图3表示图1所示装置之俯视图,并为图2之装置示范一磁通泵单元之寻址,图3绘出三个单位单元。图中的电流被导向中心单元以在磁材料的边缘产生一加热区域。开关,一般为电晶体,使电源导轨上的电流可以被导向或导离导体(图中接邻磁性材料层之斜线部分)。
[0107] 磁性材料
[0108] 目前用于测试的磁开关层材料为普鲁士蓝类似物。一般来说,此类材料进行由铁磁至亚铁磁磁序转换的温度接近钇钡铜氧化物之临界温度。下表列出一部分此类型材料(由Molecular Magnetism from Molecular Assemblies to the Devices,II IIIEd.Eugenio Coronado et al)。已被使用至今的材料例如:Ni 1.5[Cr (CN)6]以及II III
C8H2ONNi [Cr (CN)6];更多的实验细节会在稍候详述。然而技术人员应理解任何磁性材料均可能作为磁开关层;本技术亦可被应用于可变逆磁性材料上。唯一的要求是在接邻超导体处感应生成一变动磁场。
[0109] CsNiII[CrIII(CN)6].2H2O为一有用之化合物因钇钡铜氧化物之临界温度(Tc)为II III93K;Cu 3[Cr (CN)6]2.15H2O为一有用之化合物因其临界温度(66K)近似于氮气之冷冻温度(64K)。
[0110] 普鲁士蓝类似物;F和F1分别表示铁磁及亚铁磁序:
[0111]
[0112] 有很多可以采用到本技术的材料,其中金属镓和镝引起特别的兴趣。镓有23摄氏度的居里点(接近室温),所以在磁化设备与超导体分离时特别适用。镝的居里点接近YBCO临界温度,因此在冷却环境里适用。
[0113] 超导体材料
[0114] 铜氧化物,例如钇钡铜氧化物,制造于薄膜、厚膜以及块体材料,由于其具有高的临界温度并可产生高俘获磁场是较好的超导体材料;但理论上可以使用任何第二类超导体材料。别于钇钡铜氧化物的选择乃将其中的钇由其它稀土元素如钆(gadolinium)或铷(rubidium)取代(此种超导体通常称为稀土钡铜氧,REBCO)。其它的替代方案有2212型或2223型之铋系超导体(BSCCO)、二化镁(MgB2),其优点为成本低廉但其临界温度亦较低(为30多度K)。其它还有相当多可使用的材料,例如镧系元素(lanthanides)、铊化合物或汞化合物。
[0115] 另有许多材料可描述为有机超导体(organic superconductors),包括Bechgaard盐、法布尔盐(Fabre salts)等准一维(quasi one-dimensional)超导体;准二维超导体如Kappa-BEDT-TTF2X、lambda-BETS2X和石墨层间化合物(graphite intercalation compounds);以及三维材料如Alkali-doped富勒烯(fullerenes)。
[0116] 铜 氧 化 物 的 选 择 可 以 参 照“Superconducting materials-a topical overview”,Hott,Roland;Kleiner,Reinhold;Wolf,Thomas et al.(2004-08-01)2
oai:arXiv.org:cond-mat/0408212。包含高温超导系:Bi-HTS(Bi-m(n-1)n,BSCCO);
2 2 2
T1-HTS(T1-m(n-1)n,TBCCO);Hg-HTS(Hg-m(n-1)n,HBCCO);Au-HTS(Au-m(n-1)n);
2 2
123-HTS(RE-123,RBCO);Cu-HTS(Cu-m(n-1)n);Ru-HTS(Ru-1212);B-HTS(B-m(n-1)n);214-HTS(LSCO”0202”);(Electron-Doped HTS PCCO NCCO);(“02(n-1)n”);
Infinite-Layer HTS(Electron-Doped I.L.).
[0117] 发明人建立一模型以为发明原理之佐证,此模型中的磁场依照前述机制由一超导环外扫入超导体内。此模型中的几何形状乃为简化计算而采用,本装置在上述之方形几何形状(或任何几何形状)均可良好地工作。
[0118] 本模型使用之参数:超导体厚度为3.5厘米、临界电流密度为10^10安培每平方公尺;磁体厚度为2厘米、提供强度20-30毫特斯拉垂直于超导表面之磁场。
[0119] 图4表示范例模型之几何形状。图5描述当磁场扫入超导体中心,其中发生的系列步骤(由于左右对称,本图仅绘出超导体的右半部以为代表)。在本例中假设磁场乃由一于左向右移动之小磁体所生成;每一步骤中,小磁体位于紧接记号500下。(在步骤2中,502号位置上,来自于步骤1之磁场和新磁体u位置生成之磁场并不会完全抵销,因为步骤
1中,并非所有的感应磁通都能被超导体所俘获。)两个泵的系列步骤也逐步的图解于图6中,图7接着描会了10、50、150、250以及300个泵的状态。在这些图中,蓝色区域(B)是流入页面的电流而红色区域(R)是流出页面的电流。随着循环次数增加,蓝色区域亦越来越大,当超导体内部布满电流时,即已达到俘获磁场的物理限制。此物理限制取决于超导体的临界电流密度以及其体积。
[0120] 图8之曲线描述磁场如何随着泵数目而增长之关系。因此图8所绘为超导环中心之俘获磁通(平均磁场对于泵次数之关系)。
[0121] 此系统无论在磁体切换为开或关时均工作良好,只不过其具有相反的功用。图9即表示此一去磁化过程作为图7之补充。图10则绘出去磁化过程中,超导环中心的俘获磁通(平均磁场对于泵次数之关系)。
[0122] 图11描绘一圆柱形超导体之磁力线。其空间分布疏密代表局部磁通密度,平均分布的磁力线则表示一常数磁通密度。
[0123] 图12则表示磁通加乘效应。图12a中,一弱外加环境磁场将单元点1磁化(箭头表示磁场方向;其空间分布疏密表示磁通密度)。图12b邻近单元点除外加磁场还有单元点1磁化后带有的磁场,于是单元点2之泵现可产生比单元点1上的磁泵更大的合成磁场。
[0124] 更仔细说,假设单元点1被一重复施加的30毫特斯拉之磁场磁化至300毫特斯拉,单元点2和3各分到150毫特斯拉,于是在这些单元点上的有效磁场为180毫特斯拉(150+30毫特斯拉);由此下去,接续被磁化的单元点或超导体所产生的磁场将随者愈大的磁化磁场加乘之(在此例中,若下一步磁化磁场成为1800毫特斯拉,再下一步即成为18特斯拉)。虽然到达某程度,可磁化材料(普鲁士蓝)将会饱和,但本技术可贵之处在于利用此型技术可以快速获得非常强的磁场。
[0125] 以上所言已叙述了超导磁通泵的基本操作以及提出了一模型以展示其原理。图中所描绘的实施例均为最简化之装置示意图,而且值得一提的是,理论上可有多个磁性材料层,其中磁体的切换可以按顺序开关以提升泵的速度;或是为了相同的目的,不同磁性材料层具有不同的临界温度,如此一来当某层增加超导体中的俘获磁场时,另一层减少之。
[0126] 事实上,本发明由两个概念结合而成。第一,使用可在非磁性及磁性态(磁性态可为铁磁性、亚铁磁性或逆磁性)之间转变的材料,生成磁场扫过所谓的「磁场容器」(典型来说为一超导体)。此一过程可进行任意次数(包括一次)并可用来提升或降低最终的合成磁场。
[0127] 第二个概念即为「点阵化」磁场以建立磁场图形的原理。此处「点阵化」磁场的目的在于能够区域性改变磁场之密度以及强度;其重要性的众多原因之一首先可以理解为,假设需要一均匀分布之磁场,一群磁化程度相同或是均匀分布于一平面上的单元点是不能达成此目标的。
[0128] 这个概念之所以意义重大,原因包括:
[0129] 1)其独特之几何形状(一般状况下是不可能产生一与短距离轴,亦即平面之法向量,平行之强磁场)。
[0130] 2)目前并并没有实际可行的方法,能够不需施加至少等强的磁场即在超导体中俘获大量的磁场;本方法所使用为重复施加之低磁通密度的磁场。
[0131] 3)量化空间中的磁场及其量值代表可以生成许多包括静态和动态的场图形;而无线圈的实现代表此处不需存有电流造成的限制。
[0132] 上述之概念亦可用于热机的制造,如前所言,亦可应用于高效太阳能电池。图13即表示此装置之一例,具有三层。第一层由液晶材料组成,在磁场的存在下切换于第一态,偏好为几乎透明的状态,及第二态,偏好为几乎不透明的状态,之间。适当液晶材料之一例为4-n-pentyl-4’cyanobiphenyl,又称为5CB。此装置的第二层位于第一层之下(在太阳能电池的应用中,沿光入射方向视之),由光响应之磁性材料层构成,例如1,3,5-trithia-2,4,6-triazapentalenyl(TTTA)或其它由光子感应磁化效应的化合物或LIESST。此装置亦包括了由导体组成的第三层。装置工作时,光通过透明态的液晶,切换磁性材料(普鲁士蓝)之磁态以导致磁场的变化。如此一来便在导体内产生感应电动势以及电流;磁场的变化亦使液晶转为不透明态,使得磁开关层再次处于黑暗状态,另一次的磁场改变及其感应电流便由此而生。当液晶再次成为透明态时,另一个循环即重新开始。
[0133] 更仔细的讨论图13,其表示一处于永久磁体产生的磁场中范例太阳能电池,并包括,当磁开关层(绝大多数)工作在相当低温状态下时,一或多个位于磁开关层下之线圈/导体。
[0134] 上述例子中,有许多可选用的液晶材料,举4-n-pentyl-4’cyanobiphenyl(5CB)为例,其态转换发生于400高斯(或0.04特斯拉)。态转换即为在偏振光照射下由不透明态转为透明态或反之。(参见”Magnetic-field-induced Freedericksz transition and the dynamic response of nematic liquid-crystal films with a free surface”Shyu-Mou Chen and Ting-Chiang Hsieh,Phys.Rev A43,2848-2857(1991)[Issue 6-15March1991])。
[0135] 有些磁性材料之光态转换(photoshift)发生于室温附近。1,3,5-trithia-2,4,6-triazapentalenyl(TTTA)即为一例,其临界温度为296K且在顺磁态与逆磁态间转换。
(H.Matsuzaki,W.Fujita,K.Awaga and H.Okamoto,“Photoinduced phase transition in an organic radical crystal with room-temperature optical and magnetic bistability”,PHSICAL REVIEW LETTERS 91(1):Art.No 017403 JUL 42003)。
[0136] 亦有许多普鲁士蓝之类似物会在低温温度时对光感应,因此可根据本发明中用于超导磁通泵之实现。第一个由Hashimoto之团队所发现的类似物乃钴、铁为基调的化合 物如:K0.2Co1.4[Fe(CN)6].6.9H2O和K0.4Co1.3[Fe(CN)6].5H2O(参 见Sata,Iyoda T.Fujishima A,et al.“Photoinduced magnetization of a cobalt-iron cyanide”SCIENCE 272(5262):704-705 MAY 3 1996;and Sato O,Einaga Y,Iyoda T,et al.“Reversible photoinduced magnetization”JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 144(1):L11-L13JAN 1997)。或以钼元素为基调如CuII2[MoIV(CN8].8H2O(S.Ohkoshi ey al.,Chem Lett.,4,312(2001);J.Am.Chem.Soc.,128,270(2006);T.Hozumi et al.,J.Am.Chem.Soc.,127,3684(2005))--然而此化合物在某些应用中可能无法提供足够的磁场。或如Rb0.91Mn1.05[Fe(CN)6].0.6H2O(”Temperature-and photo-induced phase transition in rubidium manganese hexacyanoferrate”,Shin-ichi Ohkoshi,Hiroko Tokoro and Kazuhito Hashimoto JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTR 15(32):3291-3295 2005)。 又 或 者 如 Epstein报 告 于 论 文”New Bases for Flexible,light-weight,Low-cost,and Scalable Electronics:Organic-based Magnetism and Doped Conducting Polymers for Field Effect Devices”Arthur J.Epstein中之锰化合物。
[0137] 许多(非光态转变)非普鲁士蓝及其类似物之化合物,由于其具备磁序化或无序化之态转换,亦可用于本发明之实现。这些化合物包括:草酸盐(Oxalate),II + + +例 如 tris-dithiooxalato salts,A[M Cr(C2S2O2)3],其 中 A 为 PPH4、N(n-CnH2n+1)4,II
n的范围为三到五之间,M 为锰、铁、钴、镍等。(参见Inorg.Chem.,42(4),986-996,
2003.10.1021/ic02302x S0020-1669(02)00302-6)以及金属草酸盐系磁体如(R4N)II III II II
[Mn Cr (C2O4)3];双氰胺化合物如M [N(CN)2]2和M [N(CN)2]2Lx(此处L为pyridine,pyrazine,2,2′-bipyridine,4,4′-bipyridine)。(参见Manson,J.L.;Incarvito,C.D.;Rheingold,A.L.;Miller,J.S.J.Chem.Soc.,Dalton Trans.1998,3705);
trithiatriazapentalenyl radical 如 C2S3N3(McManus GD,Rawson JM,Feeder N,et al.“Synthesis,crystal structures,electronic structure and magnetic behaviour of the trithiatriazapentalenyl radical”,C2S3N3 JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY
11(8):1992-2003 2001);和 V(TCNE)2·0.5CH2Cl2(MANRIQUEZ JM,YEE GT,MCLEAN RS,et al.A ROOM-TEMPERATURE MOLECULAR ORGANIC BASED MAGNET SCIENCE 252(5011):
1415-1417JUN 71991)。
[0138] 仍然有许多磁性材料具有居里点且很有可能藉由掺杂将其降至适当的温度。
[0139] 实验结果
[0140] 继续说明图14,其表示试验装置的中线切切面,此装备设计为可测试每一元件之绝缘态和共存态。此一组合已被模块化,无论普鲁士蓝的存在与否,均可以进行测量;在具有超导体的情况下,霍尔元件紧邻超导体,而在无超导体的测量中,霍尔元件紧邻磁体。请注意图14并非按比例绘制。
[0141] 在图中,箭头所标之A、B分别表示磁体的导热路径和普鲁士蓝。另一介于超导体和普鲁士蓝之间额外的导热路径由一纤维垫圈提供。此试验装备位于一真空腔内,普鲁士蓝和磁体的上下均有间隙。此试验仪器设备有两个版本,第一个置于黄铜中以提供良好的热传导系数,第二个置于铁中以提供磁通路。图14中所示为置于铁的版本;绘于图18,19II III之量测结果即由此版本取得。本实验工作中采用的普鲁士蓝类似物为Ni 1.5[Cr (CN)6],其具有相当低的相对磁导率(约为3),因此本材料需要使用铁的版本以取得图示的实验结II III
果。本报告亦提出第二种普鲁士蓝类似物,C8H2ONNi [Cr (CN)6],的实验结果,此材料的SQUID量测支持稍候叙述的,作为演示范例系统中实际操作之测量结果。
[0142] 如前所言,可磁化材料(此处为普鲁士蓝)并不需具有大量的自带磁场,仅需具有集中分别施加磁场之能力。因此,如图1之实施例所示,一磁体或其它磁性材料层可以置于磁开关层3之上。图14之实验装备中,磁场由铷铁硼磁体提供,普鲁士蓝增强了此配置之磁场。
[0143] 图15表示不同等级之铷铁硼磁体的范例磁化特征曲线。由这些曲线可知,磁场的改变完全是可逆的;使用图14之装备量测磁化程度随温度的变化时发现,当磁体回复室温时,磁化程度并没有完全缩减。是以铷铁硼磁体之热循环可以达到期望的磁场变化,用来磁化超导体。可在图15看到铷铁硼磁体本身进行磁态转变的温度近似于钇钡铜氧化物之临界温度,因此成为磁开关材料极好的选择。
[0144] 普鲁士蓝类似物在溶液中会以粉末状沉淀出且倾向于具有较差的热导系数。一可TM行之道为使用金属胶着剂,如silver Dag ,将其塑形成块体结构并在不负面影响堆积因数(packing factor)以至于整块磁矩的情况下增加材料的电及热传导系数。图16即绘出由此法制成之一范例普鲁士蓝块材。
[0145] 图17表示一普鲁士蓝类似物,NiII1.5[CrIII(CN6)],在不同温度下之M-H回线。当外加磁场(X轴)保持恒定,温度的减少会增加整体磁场。此类似物之有效相当磁导率仅有3左右且在40K时,其饱和磁化强度为60毫特斯拉。在一强度为2.5*10^5安培每米(0.3特斯拉),温度改变范围为45K到70K,所生成之磁化强度约为3*10^4安培每米(38毫特斯拉),模拟结果显示其磁化强度已足以产生20到30毫特斯拉的行波磁波,所以在我们的测试设备中即采用此一类似物;然而技术人员当认知反复的实验可以鉴别更好的化合物。图
18a和18b中之回线描述磁场随热循循之变化。此处使用两个霍尔元件,一位于接近实验仪器中心线处(图18a),另一元件则位于中心线外。两者量测之图形,上部曲线表示冷却过程、下部曲线则表示加热过程。
[0146] 图18和19绘出单个泵,图20绘出两个泵,而图21在一张图面上绘出图18和19的数据。
[0147] 可由图18中看出,当设备被加热时,磁通量的减少代表此时超导图已被磁化。注意在图中,达成加热的过程乃由开关压缩机冷却源以使导热路径较易由图14中之纤维垫圈通过。
[0148] 解读图18需留意;既然仅测量系统中一个位置的温度,且此位置谨慎地只微弱地和超导体热耦合,测量温度和超导体实际温度必然存在温度差。明显的佐证为发生于超导体达其临界温度的迈斯纳转换:在冷却过程中,其发生于实测温度为122K时,而在加热过程中,却发生于实测温度98K时。
[0149] 尽管如此,以上过程有两个特征给于系统的操作相当有利的实验证据。
[0150] 第一个特征为,随着加热过程进行,整体磁场随着温度升高而降低。(超导体的磁化会对抗励磁磁场因而造成整体磁场的降低)
[0151] 第二个特征为加热中心探测点图形显示之大的不连续性,其发生于超草体渐失去其超导特性时,亦因此失去其磁化强度。部份的不连续性因迈斯纳磁通排斥,但图19(下)显示并非全部如此。
[0152] 图19特写超导态转换的冷却及加热之部份过程,其中一需注意之重要现象,磁通密度的改变发生于超导温度经过其临界温度,迈斯纳磁通排斥发生时,在冷却过程中产生之磁通密度改变,无论中心探测点或边缘探测点测量之结果,均少于再加热过程中磁通密度变化。这一现象意指超导体的净磁化量超过仅以迈斯纳效应可解释的范围。
[0153] 详述之,当一超导体通过其临界温度时,磁通产生排斥现象;此过程即为迈斯纳效应。此效应可于图19中当装置被冷却过程中磁通的瞬降。在没有预先磁化的情况下,经过临界温度的加热过程也会在测量磁通密度造成类似的升高。图19中,在加热时磁通提升较大表示超导的磁化是成功的。此结果之所以意义重大在于演示了一系统,其无需借助移动元件和导线中流动电流,即可磁化其它材料。
[0154] 图20绘出两个循环,演示使用多个泵的可能。图21绘出重复的单循环和双循环。图22a和b表示在没有超导体的情况下实验装备的结果演示了此处并无磁场累积之现象,且当实验装备加热回之前温度时,仅存在微小或不存在有磁滞现象(图22b分别绘出温度和磁通密度在温度循环下之演化过程)。
[0155] 本范例的限制在于普鲁士蓝本身,当越来越多的泵完成磁化,由普鲁士蓝角度所见的总磁场也越来越低。因此在图17左(朝y轴方向)所表示的磁场随着温度变化而减少;换句话说,行波磁场的大小降低且有效泵亦随之减少。
[0156] 然而在多单元情况下这并不构成问题,因为一旦一个单元被磁化后,此一磁化之单元将会补强其邻近单元之磁场。此外,本系统显示其第一个热波乃由冷却态触发;若是此系统相反地将加热态设置为触发态,超导体会以相反方向磁化并且增强,于是其趋势会向y轴方向离开。(此波可以包括单个扰动或是一梯级变化,但若使用周期波,其可以具有任意周期且其后缘(在具有后缘的状况下)可以距离前沿毫秒、数秒甚是数小时)。
[0157] 驻波
[0158] 图23显示了不同类型的驻波的效果。图片表明了在不同的驻波作用下磁化强度的发展被不同的饱和磁化强度分别开。在图23a)磁场的施加和去除是瞬时的(近似的锯齿波)。在图23b)中磁场被逐渐地施加但瞬时地去除。在图23c)中磁场被逐渐施加和去除。为了参考期间图23d)给出了施加和a)到c)幅值相同的行波磁场得到的磁化强度变化曲线。要注意在图23中虽然磁场扰动是周期性的,但磁场上升和下降的间隔时间是不同的(如图中所示)。
[0159] 图23是计算机模型生成的。在模型中左手边的边缘和下边缘均为对称轴。模型和方法也可以使用到没有轴对称性的系统中。图24表明了在图23中所示的在一周期内不同时刻点的外加磁场以及感应电流。
[0160] 浅灰色区域(左下)是超导,流出纸面的电流是黑色(上部和右手边缘),流入纸面的电流表示为白色(在灰色和黑色中间)。
[0161] 驻波可以由很多种方法产生但通常可以采用线圈产生,线圈中流过的电流从零增加再减小到零。之所以称为行波是因为磁场的分布不随着电流的增加减小变化,变化的只有磁场的大小。
[0162] 在驻波中,磁场的大小是变化的,而在行波中,磁场的分布也是变化的,通常可以想象为磁场的峰值随着时间在超导表面移动。而在驻波中峰值的位置是固定的。一个波可以被认为是带有不同幅值和频率的行波和驻波的叠加,并且峰值随着时间衰减。在热传导引发的行波中,由于热传导到周围环境中引起的峰值衰减是显而易见的。
[0163] 图25a)和b)表示了改变外加驻波幅值的结果。幅值较大的外磁场会导致快速的充磁,这可以从图a)的M0/Ms看出(M0=磁化强度,Ms=饱和磁化强度),此值在5周期后达到最大值。而在图b)幅值较小的磁场情况下,需要更长的时间达到最大值(大约10周期),但幅值较小的磁场能产生更大的最终磁化强度。
[0164] 此现象可以用在施加驻波过程中感应电流有两个方向来解释。从图24中可以看出大部分电流时同一个方向的(白色),但总有另外一个方向的电流(黑色)随着磁场的变化产生。磁场变化的幅值越小,黑色区域就越少,所以最终的磁化强度越大。因为综合采用不同幅值的磁场是较好的方法。
[0165] 适用在上述技术中的材料是铁磁材料,特别是magnanese copper ferrites.具体事例在如下论文中可以找到:Material letters,Volume 57,Issue 3,Dec 2002,Pages 598-603。″Synthesis of CMR magnanate compounds:the consequences of the choice of a precursor method″,B.Vertruyena,A.Rulmonta,R.Clootsa,M.Ausloosb,S.Dorboloc and P.Vanderbemden;Journal of Magnetism and Magnetic Materials,Volume 264,Issues 2-3,Aug 2003,Pages 258-263, ″ Magnetic and electrical properties of low-temperature sintered Mn-doped NiCuZn ferrites ″,Zhenxing Yue,Ji Zhou,Zhilun Gui and Longtu Li.
[0166] 一些很有潜力的材料在“The characteristics of ferrite cores with low Curie temperature and their application”,Murakami,K.,IEEE Transaction on Magnetics,June 1965,Volume 1,issue 2,Pages 96-100中提到。这些材料的磁导率和温度曲线有变化缓慢的区域,可以应用在改变磁路磁导率的例子中,也有在居里点附近变化快速的区域,可以应用在磁开关上。
[0167] 虽然某些上述的实施例仅提及超导体环的使用,普遍也相信圆形或近圆形的几何结构或许是最好的配置;但是本系统的配置并不受限于波的几何形状,其亦可工作于平面波之状况(平面波意指以近似直线行进的波)而非仅有圆形波(圆形波意指由中心向外或由外向内传播的波)。
[0168] 前述的众多概念中我们已描述一方法/系统能够在没有移动元件和导线中流动电流的条件下磁化其它材料。更精确地说,所述此技术能实现高能磁场的产生。目前此技术有相当多潜在的尖端应用,例如在需要高度稳定均匀的磁场应用上,如核磁共振;以及在需要动态行波以及纯磁场变化的领域,如电机、发动机和光电上利用磁开关的液晶。此技术也可应用于磁性挥发性记忆体,甚至应用于磁性CMOS之计算机。
[0169] 毫无疑问的,技术人员可以想出许多有效的替代方案,但可以理解本发明并不仅限于此处所公开之实施例,本发明涵盖在所附权利要求内任何基于本发明精神实质所修改之实施例。
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