本发明涉及一种超导开关，特别涉及一种用于 传导冷却超导 磁体闭环运行的超导开关。 背景技术

20世纪 90年代后期， 传导冷却超导磁体技术发展迅速， 逐渐 有取代液氦浸泡超导磁体之势。 与传统的液氦浸泡超导磁体系统 不同， 传导冷却超导磁体不使用液氦来冷却， 而是使用二级 G-M 制冷机作为冷源对超导磁体进行冷却。 目前， 传导冷却超导磁体 主要用于提供几万高斯到十几万高斯的稳定强 磁场。 在传导冷却 超导磁体充电完毕后， 一般需要用超导开关和超导线圏组成闭环 回路进行持久电流形式运行， 这样可以使超导磁体获得极高稳定 度的磁场， 还可以降低外界噪声对超导磁体系统的影响， 提高磁 体运行的可靠性。 可见在传导冷却超导磁体应用中， 超导开关是 一个重要的部件。

超导开关一般是利用超导材料的超导态 -正常态的转换使超 导开关从无阻状态转到有阻状态， 达到使电路由导通到切断的目 的； 与之相对应利用超导材料的正常态 -超导态的转换来实现电路 的导通。 超导开关超导态-正常态和正常态-超导态的转� ��， 一般 采用改变超导材料的温度或背景磁场来实现超 导态和正常态之间 的转换， 与之相对应的两种超导开关分别称之为温控超 导开关和 磁控超导开关。 其中， 温控超导开关结构相对简单， 实际应用中 最为广泛。

传统的温控型超导开关一般用于液氦浸泡超导 磁体，通过绕 制在超导开关上的加热丝的加热使超导线的温 度高 临界瀑度 来实现超导态-正常态的转变。 由于超导开关是浸泡在液氦中， 其 在正常态时向外界的传热将被液氦带走， 不会对超导磁体本身造 成影响。

传导冷却超导磁体系统中，超导磁体和超导开 关都要靠二级

G-M制冷机进行冷却， 而二级 G-M制冷机在某一温度下的制冷量 是一确定值。因此超导开关必须同超导磁体之 间有较好的热连接， 以确保超导开关能够冷却到临界温度 7以下实现超导态； 但另一 方面， 当超导开关工作于正常态时， 超导开关中的加热丝产生的 热量要严格控制在允许的范围内， 使超导开关的温度升至临界温 度 7以上的某一合理区间， 这样以确保超导开关向超导磁体的漏 热处于超导磁体容许范围内， 不会引起超导磁体的失超。

传导冷却磁体的冷却方式决定了其对超导开关 的特殊要求， 而传统的超导开关技术是难以满足的。 发明内容

本发明针对传导冷却超导磁体对超导开关的特 殊要求，提出 一种带有温度闭环控制的超导开关。

根据本发明的实施例，提供一种带有温度闭环 控制的超导开 关， 包括超导开关本体、 供电电路和控制电路； 超导开关本体安 装在置于低温系统内的超导磁体上， 供电电路和控制电路位于低 温系统外； 超导开关本体包括超导开关骨架， 以及紧绕在超导开 关骨架上的超导线圏、 加热丝线圏和装嵌在超导开关骨架上的温 度探头； 供电电路由电源与接触器串联组成， 并连接至所述加热 丝线圏的输入端和输出端； 温度探头的测量引线连接到控制电路 的输入端， 控制电路的输出端连接到供电电路中接触器的 控制线 圈上， 对接触器的通断进行温度闭环控制。

优选地， 所述控制电路由微处理器和信号放大器组成。

优选地，所述温度探头装嵌在超导开关骨架上 沿中心轴方向 的一个半圆形长槽内， 该半圆形长槽与温度探头之间的缝隙使用 掺杂有氮化铝 （A1N )粉的环氧树脂填充。

优选地， 超导线圈和加热丝线圏均为无感线圈， 超导线圏和 加热丝线圏间隔地绕制在超导开关骨架上， 其中紧贴超导开关骨 架的第一层为超导线圏， 接着第二层为加热丝线圏， 然后第三层 又为超导线圈， 以此类推； 超导线圏和加热丝线圏中导线与导线 之间的缝隙填充掺杂有氮化铝 （A1N )粉的环氧树脂。

优选地， 当所述超导开关要由超导态向正常态转变时， 所述 供电电路的电源给加热丝线圏供电， 微处理器的所述输入端对温 度探头测量的温度电压信号进行采样， 并转换成实际的温度值； 微处理器根据实际测得的超导开关本体的温度 值对接触器的通断 进行温度闭环控制。

优选地， 所述温度闭环控制的逻辑为： 当超导开关本体的温 度低于 7 + 7；时， 微处理器接通接触器， 加热丝线圈对超导开关 本体进行加热使其温度上升； 当超导开关本体的温度高于 7； 时， 微处理器关断接触器， 加热丝线圈停止加热， 阻止超导开关 本体的温度进一步上升； 所述 7；为超导线圏的超导临界温度， Γ, 和 Γ ₂ 分别为温度增量， 47≤ Γ ₂ 。

本发明的有益技术效果是： 当超导开关工作于正常态时， 通 过控制超导开关中的加热丝产生的热量， 使超导开关的温度严格 保持在温度区间 （ 7 + 7 , T _{C +} AT ₂ ) ， 这样确保了超导开关向超导 磁体的漏热处于超导磁体容许范围内，不会引 起超导磁体的失超。 附图说明

图 1 是根据本发明实施例的装有温度探头的超导开 关骨架 示意图；

图 2 是根据本发明实施例的超导线圏和加热丝线圏 隔层绕 制示意图；

图 3是根据本发明实施例的超导开关整体外观示� �图； 图 4是根据本发明实施例的超导开关加热控制电� �原理图。 具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发 明。

如图 4所示，根据本发明的一个实施例的超导开关� �括超导 开关本体 8，供电电路 15和控制电路 16。超导开关本体 8安装在 置于低温系统内的超导磁体 14上， 而供电电路 15和控制电路 16 位于低温系统外。供电电路 15例如通过两根铜导线连接到超导开 关本体 8上的加热丝线圏 7两端。控制电路 16的输入端与装嵌在 超导开关本体 8上的温度探头 4的两根测量引线连接， 控制电路 16的输出端连接到供电电路 15中的接触器 9的控制线圏上， 对 接触器 9的开关进行控制。

如图 1和图 2所示，根据本发明的一个实施例的超导开关� �体 8主要由超导开关骨架 1， 紧绕在超导开关骨架 1上的超导线圏 6、 加热丝线圏 7以及装嵌在超导开关骨架 1上的温度探头 4组成。优选 地， 超导开关骨架 1是采用黄铜材料制成的两端带有法兰的圆筒� � 温度探头 4装嵌在超导开关骨架 1上沿中心轴方向的一个半圆形长 槽 3内，长槽 3与温度探头 4之间的缝隙使用掺杂有高导热率氮化铝 ( A1N ) 粉的环氧树脂填充。 如图 4所示， 温度探头 4优选地采用 四根测量引线连接到低温系统的外面， 其中两根引线与一台电流 源 13 (例如 1mA ) 连接， 另外两根测量引线连接到控制电路 16中 的放大器 12的输入端。 超导开关本体 8通过在超导开关骨架 1上端 法兰边加工一长条形黄铜连接板 2连接到超导磁体 14上进行传导 制冷。

优选地，图 2所示的超导线圏 6和加热丝线圏 7都为无感线圏。 所谓无感线圏就是一种感应系数为零或接近于 零的线圏， 目的是 仅利用其阻抗效应， 消除其对电路的感抗效应。 无感线圏的绕制 优选地采用双绕法， 将用于绕制的线材的两端并在一起形成双股 线， 线材的中点即为双股线的另一端， 并将其固定在超导开关骨 架端部某个位置， 然后两股线同时绕制， 绕制完后， 线圏的输入 端和输出端同时引出。 为了使加热丝线圈对超导线圏进行均匀的 加热，超导线圏 6和加热丝线圏 7间隔绕制在超导开关骨架 1上， 即 紧贴超导开关骨架 1的第一层为超导线圈 6， 接着第二层为加热丝 线圈 7， 然后第三层又为超导线圏 6， 以此类推。 优选地， 超导线 圏 6和加热丝线圏 7中导线与导线之间的缝隙都使用掺杂有高导� � 率的氮化铝 （A1N )粉的环氧树脂填充。 环氧树脂凝固后不但可 以加固整个超导开关本体 8， 而且使其内传热更加均勾。完成后的 超导开关本体 8如图 3所示。

如图 4所示， 根据本发明一个实施例的供电电路 15由一台 电源 10与一个接触器 9串联组成。 供电电路 15例如通过两根铜 导线分别与超导开关本体 8上的加热丝线圈 7的输入端和输出端 连接。 控制电路 16主要由微处理器 11和信号放大器 12组成。 该微处理器 11 例如可以是由飞利浦半导体公司制造的单片机 P87C766.温度探头 4的两根测量引线连接到信号放大器 12的输 入端，信号放大器 12的输出端再连接到微处理器 11的一个输入 端（在单片机 P87C766的情况下例如为管脚 P3.0上），微处理器 11 的输出端 （在单片机 P87C766的情况下例如为管脚 P0.4 )连接到 供电电路 15中接触器 9的控制线圏上。微处理器 11根据温度探 头 4测量的温度信号对供电电路 15中的接触器 9进行控制。

超导开关中的超导线圏 6 的输入端和输出端分别连接到超 导磁体 14的输出端和输入端。超导开关要由超导态向� ��常态转变 时电源 10给加热丝线圈 7供电。接触器 9使用微处理器 11的输 出端（例如单片机 P87C766的管脚 0.4 )进行控制， 微处理器 11 根据超导开关本体 8的温度进行闭环控制。根据一个优选实施例� � 超导开关 8的温度釆用四引线法进行测量， 将温度探头 4的任意 两根测量引线连接到电流源 13 (例如 1mA )的两端， 另外两根测 量引线作为温度电压信号测量引线接入放大器 12输入端，经放大 器 12将电压信号放大， 然后采用微处理器 11的一个输入端（例 如单片机 P87C766的管脚 />3.0 )对电压信号进行采样， 并转换成 实际的温度值。 微处理器根据超导开关的实际温度控制接触器 的 通断。

温度闭环控制的逻辑为： 当超导开关的温度低于 7 + 7， 微 处理器 11就接通接触器 9，加热丝线圈 7工作，产生热量使超导 开关本体 8的温度上升； 当超导开关本体 8的温度高于 τ + Γ ₂ ， 微处理器 11就关断接触器 9，加热丝线圏 7停止加热， 阻止超导 开关本体 8 的温度进一步上升。 7；和 ^的大小根据实际条件确 定， 确保在温度区间 （7 + 7， T _C + AT ₂ ) ，超导开关本体 8处于正 常态， 而且向超导磁体 14的漏热不能引起超导磁体 14的失超。 所述的 7为超导线圈的超导临界温度， 即超导线圈由超导态向正 常态转变时的'温度， 7和 Γ ₂ 分别为温度增量， 7≤ 1Γ ₂ 。

以上结合某些具体实施例描述了本发明，但这 些实施例仅仅 是为了示例的目的， 而不是旨在限制本发明的范围。 在不脱离本 发明的精神和范围的情况下， 可以对此处描述的实施例做出各种 变型、 替换和改变。 所附权利要求书及其等同物旨在涵盖落入本 发明的范围和精神内的这些变型、 替换和改变。