RS63224B1 - Delimično - izolovani hts namotaji - Google Patents

Description

Opis

Oblast pronalaska

[0001] Prikazan pronalazak se odnosi na HTS magnete.

Stanje tehnike

[0002] Izazov proizvodnje snage fuzije je izuzetno složen. Predloženi su mnogi alternativni uređaji nezavisno od tokamaka, iako nijedan još nije dao rezultate uporedive sa najboljim tokamacima koji trenutno rade kao što je JET.

[0003] Svetsko istraživanje fuzije ušlo je u novu fazu nakon početka izgradnje ITER-a, najvećeg i najskupljeg (cca15 milijardi evra) tokamaka ikada izgrađenog. Uspešan put do komercijalnog fuzionog reaktora zahteva dug impuls, stabilan rad u kombinaciji sa visokom efikasnošću potrebnom da bi proizvodnja električne energije bila ekonomična. Ova tri uslova posebno je teško ostvariti istovremeno, a planirani program će zahtevati dugogodišnja eksperimentalna istraživanja na ITER-u i drugim fuzionim objektima, kao i teorijska i tehnološka istraživanja. Uveliko se očekuje da komercijalni fuzioni reaktor razvijen ovim putem neće biti izgrađen pre 2050. godine.

[0004] Da bi se dobile reakcije fuzije potrebne za ekonomičnu proizvodnju energije (tj. mnogo više izlazne snage nego ulazne snage), konvencionalni tokamak mora biti ogroman (kao što je prikazano u ITER-u) tako da vreme zadržavanja energije (koje je otprilike proporcionalno zapremini plazme) može biti dovoljno veliko da plazma može biti dovoljno topla da dođe do termalne fuzije.

[0005] WO 2013/030554 opisuje alternativni pristup, koji uključuje upotrebu kompaktnog sfernog tokamaka za upotrebu kao izvora neutrona ili izvora energije. Plazma u formi malog odnosa širine i visine u sferičnom tokamaku poboljšava vreme zadržavanja čestica i omogućava neto proizvodnju energije u mnogo manjoj mašini. Međutim, neophodan je centralni stub malog prečnika, što predstavlja izazove za dizajn magneta za zadržavanje plazme. Visokotemperaturni superprovodni (HTS) namotaji su obećavajuća tehnologija za takve magnete.

[0006] Druga potencijalna upotreba HTS magneta je u uređajima za terapiju protonskim mlazom. Terapija protonskim mlazom (PBT, takođe poznata kao protonska terapija) je vrsta terapije česticama koja se koristi u lečenju kancera (i drugih stanja koja reaguju na radioterapiju). Kod PBT, mlaz protona je usmeren ka mestu lečenja (npr. tumor).

[0007] Druga, slična terapija je terapija hvatanja protona bora (PBCT), u kojoj se bor-11 uvodi na ciljnu lokaciju, a protonski mlaz se koristi za iniciranje reakcije p+<11>B → 3α. Isti aparat se može koristiti za obezbeđivanje protonskih mlazova za PBT ili PBCT.

[0008] Protonski mlazovi za PBT i PBCT su generisani akceleratorima čestica kao što su ciklotroni ili linearni akceleratori. Akceleratori koji se obično koriste za PBT i PBCT tipično proizvode protone sa energijama u rasponu od 60 do 250 MeV, pri čemu najmoćnije postrojenje koje trenutno radi ima maksimalnu energiju od 400 MeV.

[0009] Uopšteno govoreći, postoje dva tipa dizajna za PBT uređaje koji dozvoljavaju varijaciju ugla mlaza. U prvom tipu dizajna, kao što je ilustrovano na Slici 7, akcelerator 3001 je montiran na portalu 3002, što mu omogućava da se rotira oko pacijenta 3003 (obično oko horizontalne ose). Pacijent se postavlja na pokretni krevet 3004, koji obezbeđuje dalje stepene slobode (npr. translatorno kretanje i rotacija oko vertikalne ose).

[0010] Drugi tip dizajna je ilustrovan na Slici 8. Akcelerator 4001 je nepokretan, a mlaz je usmeren ka pacijentu preko upravljačkih magneta 4002 (generalno uključujući i kvadrupolne i dipolne magnete), od kojih se bar neki nalaze na portalu 4003, tako da se mlaz može rotirati oko pacijenta 4004 (npr. oko horizontalne ose). Pacijent se postavlja na pokretni krevet 4005.

[0011] Bilo koji dizajn zahteva da portal drži elektromagnete sposobne da upravljaju protonima u energiji mlaza, koja može biti čak 400 MeV. Ovo zahteva veoma jaka magnetna polja, i kao takva upotreba HTS magneta može značajno smanjiti masu i veličinu elektromagneta i portala potrebnog za njihovo pomeranje. HTS magneti se mogu koristiti unutar akceleratora, kvadrupolni magneti upravljačkih magneta, ili dipolni magneti upravljačkih magneta.

[0012] Superprovodni materijali su tipično podeljeni na "visokotemperaturne superprovodnike" (HTS) i "nisko temperaturne superprovodnike" (LTS). LTS materijali, kao što su Nb i NbTi , su metali ili legure metala čija se superprovodljivost može opisati BCS teorijom. Svi nisko temperaturni superprovodnici imaju kritičnu temperaturu (temperatura iznad koje materijal ne može biti superprovodljiv čak ni u nultom magnetnom polju) ispod oko 30K. Ponašanje HTS materijala nije opisano BCS teorijom, i takvi materijali mogu imati kritične temperature iznad oko 30K (iako treba napomenuti da su fizičke razlike u sastavu i superprovodljivom radu, a ne kritične temperature te koje definišu HTS i LTS materijal). Najčešće korišćeni HTS su „kupratni superprovodnici“ – keramika zasnovana na kupratima (jedinjenja koja sadrže grupu oksida bakra), kao što su BSCCO ili ReBCO (gde je Re retki zemni element, obično Y ili Gd). Ostali HTS materijali uključuju gvozdene pniktide (npr FeAs i FeSe) i magnezijum diborat (MgB2).

[0013] ReBCO se obično proizvodi kao trake, sa strukturom kao što je prikazano na slici 1. Takva traka 100 je uglavnom debljine približno 100 mikrona i uključuje supstrat 101 (obično elektropolirana legura nikla debljine približno 50 mikrona), na koji se nanosi pomoću IBAD, magnetronskog raspršivanja, ili druge pogodne tehnike serija puferskih slojeva poznatih kao puferski snop 102, približne debljine 0,2 mikrona. Epitaksijalni ReBCO-HTS sloj 103 (deponovan pomoću MOCVD ili drugom pogodnom tehnikom) prekriva puferski snop i tipično je debeo 1 mikron. Sloj 104 srebra od 1-2 mikrona se nanosi na HTS sloj raspršivanjem ili drugom pogodnom tehnikom, a sloj bakarnog stabilizatora 105 se nanosi na traku galvanizacijom ili drugom pogodnom tehnikom, koja često potpuno hermetički zatvara traku.

[0014] Supstrat 101 obezbeđuje mehaničku kičmu koja se može napajati kroz proizvodnu liniju i omogućiti rast sledećih slojeva. Puferski snop 102 je potreban da obezbedi kristalni šablon sa dvoosnom strukturom na kome će rasti HTS sloj, i sprečiti hemijsku difuziju elemenata sa supstrata na HTS koji oštećuju njegove superprovodne osobine. Srebrni sloj 104 je neophodan da obezbedi interfejs niske otpornosti od ReBCO do sloja stabilizatora, a sloj stabilizatora 105 obezbeđuje alternativni put struje u slučaju da bilo koji deo ReBCO prestane da bude superprovodljiv (uđe u „normalno“ stanje).

[0015] Pored toga, može se proizvesti "oljuštena" HTS traka, kojoj nedostaju supstrat i puferski snop, a umesto toga ima srebrne slojeve sa obe strane HTS sloja. Traka koja ima supstrat će se nazivati HTS traka „sa podlogom“.

[0016] HTS trake se mogu rasporediti u HTS kablove. HTS kabl se sastoji od jedne ili više HTS traka, koje su spojene duž njihove dužine putem provodnog materijala (obično bakra). HTS trake mogu biti naslagane (tj. raspoređene tako da su HTS slojevi paralelni), ili mogu imati neki drugi raspored traka, koji može varirati duž dužine kabla. Značajni posebni slučajevi HTS kablova su pojedinačne HTS trake i HTS parovi. HTS parovi se sastoje od par HTS traka, raspoređenih tako da su HTS slojevi paralelni. Tamo gde se koristi traka sa supstratom, HTS parovi mogu biti tipa-0 (sa HTS slojevima okrenutim jedan prema drugom), tip-1 (sa HTS slojem jedne trake okrenutim prema podlozi druge) ili tip-2 (sa podlogama okrenutim jedna prema drugoj). Kablovi koji sadrže više od 2 trake mogu rasporediti neke ili sve trake u HTS parove. Naslagane HTS trake mogu da sadrže različite rasporede HTS parova, najčešće ili snop parova tipa-1 ili snop parova tipa-0 i (ili, ekvivalentno, parova tipa-2). HTS kablovi mogu da sadrže mešavinu trake sa podlogom i oljuštene trake.

[0017] Kada se u ovom dokumentu opisuju namotaji, koristiće se sledeći termini:

• „HTS kabl“ – kabl koji sadrži jednu ili više HTS traka. U ovoj definiciji, jedna HTS traka je HTS kabl.

• "navojak" - deo HTS kabla unutar namotaja koji obuhvata unutrašnjost namotaja (tj. koji se može modelovati kao potpuna petlja)

• "luk" - kontinualna dužina namotaja koja je manja od celog namotaja polja

• "unutrašnji/spoljašnji radijus" - rastojanje od centra namotaja do unutrašnje/spoljašnje strane HTS kablova

• "unutrašnji/spoljni perimetar" - rastojanje mereno oko unutrašnje/spoljašnje strane namotaja

• "debljina" - radijalna dubina svih navojaka namotaja, odnosno razlika između unutrašnjeg i spoljašnjeg radijusa

• "kritična struja" - struja pri kojoj bi HTS postao normalan, na datoj temperaturi i spoljašnjem magnetnom polju (gde se smatra da je HTS "postao normalan" u karakterističnoj tački superprovodnog prelaza, gde traka generiše E0volta po metru . Izbor E0je proizvoljan, ali se obično uzima kao 10 ili 100 mikrovolti po metru.)

• "kritična temperatura" - temperatura na kojoj bi HTS postao normalan, pri datom magnetnom polju i struji

• „vršna kritična temperatura“ – temperatura na kojoj bi HTS postao normalan bez spoljašnjeg magnetnog polja i zanemarljive struje.

[0018] Uopšteno govoreći, postoje dva tipa konstrukcije magnetnih namotaja - namotavanjem ili sklapanjem više sekcija. Namotani namotaji, kao što je prikazano na Slici 2, se proizvode omotavanjem HTS kabla 201 oko prethodnog 202 u neprekidnoj spirali. Prvi je oblikovan tako da obezbedi potreban unutrašnji perimetar namotaja i može biti strukturni deo završnog namotanog namotaja, ili se može ukloniti nakon namotavanja. Sekcioni namotaji, kao što je shematski prikazano na Slici 3, sastoje se od nekoliko sekcija 301, od kojih svaka može da sadrži nekoliko kablova ili prethodno oblikovanih sabirnica 311 i formiraće luk celokupnog namotaja. Sekcije su povezane spojevima 302 da formiraju kompletan namotaj. Dok su navojci namotaja na slikama 2 i 3 prikazani razmaknuti radi jasnoće, generalno će postojati materijal koji povezuje navojke namotaja – na primer, oni mogu biti učvršćeni zalivanjem epoksidom.

[0019] Namotaji mogu biti " izolovani" - sa električno izolujućim materijalom između navojaka namotaja, ili "neizolovani", gde su navojci namotaja električno povezani radijalno, kao i duž kablova (npr. povezivanjem bakarnih stabilizatorskih slojevi kablova lemljenjem ili direktnim kontaktom). Neizolovani namotaji nisu pogodni za velike namotaje polja, iz razloga koji će biti detaljnije razmotreni kasnije.

[0020] Slika 4 prikazuje poprečni presek specifičnog tipa namotanog namotaja poznatog kao "pljosnati kalem", gde su HTS kablovi 401 umotani da formiraju ravni namotaj, na sličan način kao kalem vrpce. Pljosnati namotaji mogu biti napravljeni sa unutrašnjim perimetrom koji je bilo kojeg 2 dimenzionalnog oblika. Često, pljosnati namotaji su napravljeni kao „dvostruki pljosnati namotaj“, kao što je prikazano na poprečnom preseku na Slici 5, koji se sastoji od dva pljosnata namotaja 501, 502 namotana u suprotnom smeru, sa izolacijom 503 između pljosnatih namotaja, i sa unutrašnjim terminalima spojenim zajedno 504. To znači da napon treba da se dovede samo do spoljnih terminala 521, 522, koji su generalno pristupačniji, da bi se struja pokrenula kroz navojke namotaja i generisalo magnetno polje.

[0021] Svaki od EP 0921535 A2 i US 2009/286685 A1 stavlja na uvid javnosti delimično izolovane HTS namotaje.

Sažetak

[0022] Prema prvom aspektu pronalaska, obezbeđen je visokotemperaturni superprovodni, HTS, namotaj polja. HTS namotaj polja sadrži više navojaka i delimično izolujući sloj. Mnoštvo navojaka se sastoji od HTS materijala i metalnog stabilizatora. Delimično izolujući sloj razdvaja navojke, tako da se struja može deliti između navojaka preko delimično izolujućeg sloja. Delimično izolujući sloj sadrži električno provodni sloj, i prvi i drugi izolujući sloj. Električno provodni sloj je sa jedne strane obložen prvim izolujućim slojem, a sa druge strane drugim izolujućim slojem. Svaki izolujući sloj ima jedan ili više prozora kroz koje se može ostvariti električni kontakt između navojaka i električno provodnog sloja. Prozori u prvom izolujućem sloju su pomereni u ravni električno provodne gredice od prozora u drugom izolujućem sloju.

[0023] Prema drugom aspektu pronalaska, obezbeđen je metod proizvodnje HTS namotaja polja. Obezbeđen je HTS kabl, HTS kabl koji sadrži HTS materijal i metalni stabilizator. Obezbeđen je delimično izolujući sloj. Delimično izolujući sloj sadrži električno provodnog sloja i prvog i drugog izolujućeg sloja. Električno provodni sloj je sa jedne strane obložen prvim izolujućim slojem a sa druge strane drugim izolujućim slojem. Svaki izolujući sloj ima jedan ili više prozora kroz koje se može ostvariti električni kontakt između navojaka i električno provodnog sloja. Prozori u prvom izolujućem sloju su pomereni u ravni električno provodnog sloja od prozora u drugom izolujućem sloju. HTS kabl i delimično izolujući sloj su sastavljeni da formiraju HTS namotaj polja, tako da se struja može deliti između navojaka HTS kabla preko delimično izolujućeg sloja.

[0024] Prema petom aspektu pronalaska, obezbeđen je tokamak fuzioni reaktor koji sadrži HTS namotaj polja u skladu sa prvim aspektom, gde je HTS namotaj polja jedan od toroidnog namotaja polja ili poloidalnog namotaja polja.

[0025] Prema šestom aspektu pronalaska, obezbeđen je uređaj za terapiju protonskim mlazom, PBT, koji sadrži HTS namotaj polja u skladu sa prvim aspektom, naznačen time da je HTS namotaj polja jedan od:

namotaja polja akceleratora PBT uređaja;

dipolni ili kvadrupolni magnet sistema upravljanja protonskim mlazom PBT uređaja.

[0026] Dalja tehnička rešenja pronalaska su navedena u patentnom zahtevu 2 i dalje.

Kratak Opis Crteža

[0027]

Slika 1 je shematska ilustracija HTS trake;

Slika 2 je shematska ilustracija namotanog HTS namotaja;

Slika 3 je shematska ilustracija preseka HTS namotaja;

Slika 4 je shematska ilustracija poprečnog preseka pljosnatog namotaja;

Slika 5 je shematska ilustracija poprečnog preseka dvostrukog pljosnatog namotaja Slika 6 prikazuje struju, napon, i snagu u delimično izolovanom namotaju tokom povećanja (eng. ramp up) i u ravnoteži;

Slika 7 je shematska ilustracija uređaja za terapiju protonskim mlazom;

Slika 8 je shematska ilustracija dodatnog uređaja za terapiju protonskim mlazom;

Slika 9A je shematska ilustracija delimično izolujućeg sloja;

Slika 9B je pogled sa strane na delimično izolujući sloj sa Slike 9A;

Slika 10A je shematska ilustracija delimično izolujućeg sloja prema alternativnoj konstrukciji;

Slika 10B je poprečni presek delimično izolujućeg sloja sa Slike 10A;

Slika 11 je shematska ilustracija primera delimično izolujućeg sloja;

Slika 12 prikazuje alternativnu konstrukciju delimično izolujućeg sloja;

Slika 13 prikazuje shematski dijagram primera sistema namotavanja;

Slika 14 je poprečni presek sklopa delimično izolujućeg sloja plus HTS trake;

Slika 15 prikazuje primer hermetički zalemljenog namotaja; i

Slike 16 A do E prikazuju dalju alternativnu konstrukciju delimično izolujućeg sloja. Detaljan opis

[0028] Kao što je gore navedeno, HTS namotaji mogu biti izolovani ili neizolovani. Uopšteno govoreći, neizolovani namotaji se ne smatraju pogodnim za velike magnete koji rade u uslovima u kojima je moguće gašenje, kao što su namotaji polja tokamaka. Nedostatak izolacije namerno dozvoljava da se struja deli ne samo između traka u svakom navojku kabla, već i između navojaka kabla. Mogući su i „delimično izolovani“ namotaji, gde materijal između navojaka ima srednju otpornost između tradicionalnog provodnika, npr. metala, i tradicionalnog izolatora, kao što je keramički ili organski izolator, npr. koji ima specifičnu otpornost između 100 i 10<15>puta veću od bakra ili između 10<-6>i 10<8>Ommetara. Bez ili sa delimičnom izolacijom između navojaka usporava brzinu na kojoj raste temperatura lokalne „vruće tačke“ (normalne zone). Brzina rasta (prostornog širenja) normalne (otporne HTS) zone u HTS magnetu zavisi od mnogih parametara, ali je obično manja od 100 mm/s u aksijalnom smeru (tj: duž kabla), i otprilike 2-100 puta sporije u poprečnom smeru (tj: između susednih navojaka). Tačna brzina prostiranja normalne zone u svakom smeru zavisi od termalnih i električnih svojstava materijala i kablovske konstrukcije koja se koristi. Posebno, na brzinu poprečnog širenja utiču termalne osobine materijala između navojaka.

[0029] U velikom magnetu (linearne dimenzije metara, npr. radijus veći od 50 cm, i gde su dimenzije poprečnog preseka namotaja male (to jest -10 puta manje) od najveće ukupne dimenzije namotaja) poprečno širenje može izazvati da celokupan poprečni presek namotaja postane normalan u zoni koja pokriva mali deo periferije namotaja, što rezultira da ukupna struja svih navojaka protiče samo u metalnom stabilizatoru unutar normalnog preseka. Izvan normalne zone provodnici su još uvek superprovodni. Otpornost ove normalne zone nije dovoljna da izazove brzo opadanje struje magneta već dovodi do toga da se uskladištena magnetna energija celog magneta prazni u ovu malu normalnu (otpornu) zapreminu, koja samo polako raste oko periferije namotaja. Osim ako se ova situacija ne otkrije brzo tako da se uskladištena energija magneta može prazniti u otpornost izvan namotaja, temperatura normalne zone će porasti veoma brzo, što će verovatno izazvati značajna oštećenja provodnika unutar normalne zone.

[0030] Za male namotaje (linearne dimenzije od nekoliko centimetara , npr. radijus manji od 10 cm, gde je poprečni presek namotaja slične veličine kao najveća dimenzija namotaja), umešane uskladištene magnetne energije su relativno mnogo niže i normalna zona će ravnomernije rasporediti po celoj zapremini namotaja za kratko vreme. Drugim rečima, gašenje se širi tako da obuhvata ceo namotaj pre nego što temperatura normalne zone pređe vrednost oštećivanja (obično se smatra oko 200 K).

[0031] Iz tog razloga, neizolovani ili delimično izolovani namotaji se smatraju dobrim opcijama za pasivno gašenje zaštite malih HTS magneta, ali neadekvatnim za pasivno gašenje zaštite velikih magneta.

[0032] Dalje, neizolovani ili delimično izolovani namotaj pokazuje kašnjenje u stabilizaciji magnetnog polja tokom porasta (eng. ramp-up). To je zato što napon razvijen preko induktivnosti namotaja pokreće struju kroz metal između navojaka. Neizolovani HTS namotaj se može modelovati tako da ima tri strujne putanje - dve spiralne putanje, koje prate HTS trake (jednu u HTS i jednu u metalnom stabilizatoru), i radijalnu putanju kroz metal (i bilo koji drugi otporni materijal) povezujući neizolovane ili delimično izolovane navojake HTS kabla između krajeva namotaja (iako se ovo može modelovati kao jedna putanja, ona u stvari predstavlja zbir svih radijalnih otpornih putanja kroz magnet). Samo struja koja protiče spiralnim putevima generiše značajno aksijalno magnetno polje u centru namotaja. HTS spiralna putanja se može modelovati kao induktor sa induktivnošću L i nultom ili zanemarljivom otpnošću kada je traka potpuno superprovodna. Spiralna putanja bakarnog stabilizatora je paralelna sa HTS putanjom i ima istu induktivnost, ali značajnu otpornost. Iz tog razloga u njemu protiče zanemarljiva struja osim ako delovi HTS spiralne putanje ne počnu da se gase. Ako se to dogodi, višak struje iznad kritične struje Ic od HTS spiralne putanje deli se između putanje spiralnog stabilizatora i radijalne putanje u skladu sa njihovim relativnim otpornostima. Putanja radijalne struje može se modelovati kao da ima zanemarljivu induktivnost i mnogo veću otpornost R od spiralne putanje dok je HTS sasvim superprovodan.

[0033] Slika 6 prikazuje struju, napon i snagu u neizolovanom namotaju tokom porasta i u ravnotežnom radu. Tokom povećanja u neizolovanom namotaju, struja će u početku proticati prvenstveno u radijalnoj putanji (period A na slici 6), a zatim će se stabilizovati. Količina struje koja protiče na radijalnoj putanji je veća za veće brzine promene (eng. ramp rates) (pošto je napon razvijen preko spiralne putanje, L.dl /dt, veći - ovo je period B). Na kraju promene, dl/dt pada na nulu i struja će se preneti na HTS spiralnu putanju sa vremenskom konstantom UR (period C). Struja će se uglavnom preneti u spiralni put nekoliko (približno pet) UR vremenskih konstanti nakon završetka promene (eng. ramp). Kao takva, vremenska konstanta treba da bude izabrana tako da rezultira razumnim vremenom porasta, npr. vremenska konstanta od 5-10 sati bi bila prihvatljiva za TF namotaj tokamaka (dajući vreme porasta od oko 1-2 dana).

[0034] Ako postoje spojevi u HTS kablu koji se koristi za namotavanje namotaja, onda će mali deo struje napajanja nastaviti da protiče radijalnom putanjom tokom perioda C. Deo je jednostavno odnos otpornosti spiralne putanje prema zbiru radijalnih otpornosti (tj: zbir svih otpornosti od navojka-prema-navojku, ili između-navojka, otpornosti) i otpornosti spiralne putanje.

[0035] Održavanje kratkog konstantnog vremena kašnjenja naelektrisanja magneta sa velikim L zahteva relativno veliku otpornost između-navojaka, ali održavanje niske temperature normalne zone zahteva relativno nisku otpornost između-navojaka. Stoga je poželjno pronaći način da se lako kontroliše otpornost od navojka-prema-navojku kako bi se postigao najbolji kompromis.

[0036] Dalje razmatranje u odabiru idealne otpornosti od navojka-prema-navojku je toplotno opterećenje uzrokovano pogonskom strujom kroz radijalnu otpornost tokom faze promene (eng. ramping phase) magneta (periodi A i B). Ovo dodatno toplotno opterećenje, koje može biti značajno (reda nekoliko kW) ne bi zahtevalo dodatno hlađenje ako je manje ili jednako toplotnom opterećenju koje se javlja tokom rada uređaja koji sadrži namotaj polja - npr. toplotno opterećenje neutrona za namotaje u fuzionom reaktoru. Ovo je moguće zato što se toplotno opterećenje u radu i toplotno opterećenje pri promeni ne mogu pojaviti istovremeno (npr. zato što fuzija nije pokrenuta dok TF magnet nije u polju). Naravno, takođe je moguće povećati sa većim toplotnim opterećenjem (tj. većom otpornošću od navojka-prema-navojku), i obezbediti dodatno hlađenje – ovo će generalno biti skuplje, ali će omogućiti brža vremena promena (ramp times).

[0037] U velikom magnetu, da bi se izbeglo oštećenje usled gašenja (bilo u izolovanom ili neizolovanom namotaju), može se takođe primeniti shema aktivne zaštite od gašenja. U ovoj shemi, uskladištena energija magneta može biti ispražnjena u neku komponentu koja nije region za gašenje magneta pre nego što dođe do dovoljnog porasta temperature u regionu gašenja da izazove štetu. Druga komponenta može biti spoljna otpornost ili poseban deo magneta koji se gasi na većem delu hladne mase magneta (čime se raspoređuje uskladištena energija magneta na veliku zapreminu, i smanjuje ukupni porast temperature). Međutim, aktivni pristup zahteva da vreme između pokretanja normalne zone (koja se naziva i „vruća tačka“) i pokretanja smanjenja (eng. ramp-down) struje magneta („pražnjenje“) bude dovoljno kratko da terminalna temperatura vruće tačke bude manja od temperature na kojoj može doći do oštećenja namotaja, npr.: oko 200 K.

[0038] Zbog toga je poželjno razviti sredstva za kontrolu vremenske konstante namotaja tako da se može promeniti do stabilnog magnetnog polja u prihvatljivom vremenskom okviru, dok i dalje obezbeđuje stepen podele struje između navojaka oko ugašene normalne zone da ograniči brzinu povećanja temperature žarišta.

[0039] Mogući parametri namotaja koji se mogu menjati da bi se izabrala vremenska konstanta L/R su:

• induktivnost L, koja je proporcionalna kvadratu broja navojaka, N, u namotaju. Otuda se vremenska konstanta može smanjiti smanjenjem broja navojaka. Međutim, magnetno polje je proporcionalno amper-navojcima, tako da će stvaranje visokog polja sa malim brojem navojaka zahtevati veću pogonsku struju od magneta koji generiše isto polje sa više navojaka i nižom pogonskom strujom.

• radijalna optornost od navojka-prema-navojku, RT(gde je R=NRT)

[0040] U pogledu ovih parametara, R je približno proporcionalan NRT, a L je približno proporcionalan N<2>, tako da je L/R približno proporcionalan N/RT. Minimalna vrednost N će biti podešena potrebnim magnetnim poljem (B) i maksimalnom strujom po kablu (I), pošto je B proporcionalno NI. Vremenska konstanta, i toplotno opterećenje tokom promene, mogu se smanjiti korišćenjem manjeg broja navojaka, ali to će zahtevati veću struju da bi magnet proizveo dato polje.

[0041] Vremenska konstanta i toplotno opterećenje promene se takođe mogu smanjiti povećanjem otpornosti RTizmeđu svakog navojka. Međutim, previsoko povećanje RTće sprečiti deljenje struje između navojaka – smanjujući „pasivnu zaštitu od gašenja“ namotaja, tj . sposobnost namotaja da se oporavi od žarišta bez gašenja i bez pražnjenja energije iz namotaja. Visokostrujni kablovi zahtevaju više traka za prenos struje i poželjno je da otpornost između traka u navojku bude veoma mala, posebno da bi se omogućila dobra podela struje i visoka termalna provodnost između traka; ovo čini traku otpornom na defekte u ReBCO superprovodnom sloju. Tamo gde svaki navojak sadrži više traka zahtevani RTmože biti mnogo veći od otpornosti između traka svakog navojka, tako da se struja prioritetno deli unutar navojka da bi se zaobišli defekti a ne između navojka -međutim RTbi i dalje trebalo da dozvoljava deljenje struje između navojaka da bi se ograničila brzina termalnog bega žarišta i maksimiziralo vreme za otkrivanje problema i pražnjenja magneta.

[0042] Utvrđeno je da upotreba delimično izolovanog namotaja može značajno produžiti vreme prozora između pokretanja žarišta i temperature normalne zone koja prelazi 200 K, u poređenju sa ekvivalentno izolovanim namotajem, omogućavajući dodatno vreme za pokretanje pražnjenja magneta. Ovo čini delimično izolovane namotaje sa ispravnim izborom RTiznenađujuće pogodnim za upotrebu kao velikih namotaja polja u tokamaku.

[0043] Unutar ovog vremenskog prozora, žarište mora biti otkriveno, sistem za detekciju gašenja mora da utvrdi da će žarište verovatno izazvati gašenje (umesto da se rasprši kroz pasivno deljenje struje), i prazniti energiju iz magneta na bezbedan način - tj. prisiljavanje velike hladne mase da se zagreje na kontrolisan način (velika hladna masa može biti namerno ugašeni deo magneta, npr. povratni kraci toroidnog namotaja polja).

[0044] Trajanje vremenskog prozora zavisi od količine provodnog metala, npr. bakra, u svakom navojku - sa više metalnog stabilizatora, vremenski prozor se produžava. Međutim, povećanje količine stabilizatora će smanjiti gustinu struje namotaja, što je nepoželjno u primenama sa ograničenim prostorom kao što je centralni stub toroidnog namotaja polja (gde veća gustina struje omogućava deblji neutronski štit u fuzionom reaktoru, i stoga manje toplotno opterećenje, ili povoljniji odnos širine i visine ili manju ukupnu veličinu za sferni tokamak).

[0045] Trenutni pristupi zaštite od gašenja koji koriste izolovane namotaje za sferične tokamake rezultiraju u više metalnih stabilizatora u navojcima, što zauzvrat rezultira u većim navojcima, skupljim uređajima kako bi se povećao vremenski prozor na nivoe kojima se može upravljati – ali vremenski prozor je i dalje kratak (u trajanju od 0,5 do 1 sekunde). Upotreba neizolovanog ili delimično izolovanog toroidnog namotaja polja bi omogućila produženje vremenskog prozora i povećanje gustine struje - pošto neizolovani ili delimično izolovani namotaji zahtevaju manje metalnog stabilizatora nego izolovani namotaji. U stvari, ograničenje gustine struje za neizolovani toroidalni namotaj polja je mehanički, a ne električni problem, pošto naprezanje na centralnom stubu postaje ograničavajući faktor kako se gustina struje povećava. Konačno, rezultujuća deformacija materijala trake se prenosi na sloj ReBCO, izazivajući degradaciju kritične struje.

[0046] Razmotrimo primer magneta toroidnog polja (TF) koji ima radijus plazme 1,4 m i magnetno polje od 5 T sa 18 krakova. Ukupna struja centralne šipke TF bila bi 35 MA. Pod pretpostavkom da je pogonska struja od 10 kA svaki krak bi imao 196 navojaka i ukupna TF induktivnost bi bila približno 46 H. Da bi se postigla vremenska konstanta od 1,4 sata (da bi ukupno vreme promene bilo oko 6 sati) bila bi potrebno radijalna otpornost za svaki pojedinačni krak od oko 0,5 miliOma. Prema tome, prosečna navojak-prema-navojku otpornost RTtreba da bude 2,54 mikro-Oma da bi se postigla željena vremenska konstanta.

[0047] Kroz modeliranje, otkriveno je da se to može postići korišćenjem delimično izolujućeg sloja između navojaka debljine 0,05 mm i specifične otpornosti od 0,02 ohm.m, što je 2×10<6>puta više od normalnog bakra na 20 K. Stručna osoba će oceniti da bi i drugi parametri za delimičnu izolaciju takođe bili mogući.

[0048] RTse može podesiti izborom metala za oblogu unutar HTS kabla i/ili između navojaka namotaja. U tipičnim HTS kablovima, ovo bi bio bakar, ali da bi se omogućila veća otpornost mogu se koristiti drugi metali kao što je nerđajući čelik. Alternativno ili dodatno, prostor između navojaka namotaja može se povećati, što rezultira debljim (i stoga sa većom otpornošću) slojem metala između navojaka namotaja. Pogodni materijali koji bi takođe zadovoljili druga inženjerska ograničenja (npr. gustina struje i strukturna stabilnost) uključuju germanijum i druge poluprovodnike.

[0049] Dalja alternativa je upotreba normalnih (tj. nesuperprovodnih) metala za izolaciju, ali podešavanje geometrije putanje struje korišćenjem konvencionalne izolacije. Drugim rečima povećati rastojanje na kojem struja mora da protiče između navojaka. Materijal između navojaka namotaja može da sadrži delimično izolujući sloj koji sadrži metalnu gredicu (ili druge električno provodne gredice) koja ima „izolaciju koja propušta“, kao što je prikazano na Slici 9A i B. Metalna gredica 901 je opremljena tankom izolujućom prevlakom 902 najmanje na stranama okrenutim prema HTS kablovima, gde je izolujuća prevlaka uklonjena ili nedostaje preko prozora (ili „kroz rupe“) 903 u intervalima na svakoj strani metalne gredice. Prozori mogu imati bilo koji oblik i mogu se proširiti do ivica trake. Položaji prozora sa obe strane metalne gredice su poređani, kao što je prikazano na Slici 9B, što povećava otpornost (u poređenju sa neizolovanom gredicom, ili sa gredicom gde su prozori sa svake strane bili direktno jedan naspram drugog) kao struja mora ići putem 910 duž dela dužine metalne gredice.

[0050] Otpornost delimično izolujućeg sloja prikazanog na Slici 9A i B (tj. otpornost navojaknavojak) zavisiće od:

• rastojanje između susednih prozora na istoj strani (veća udaljenost dovodi do veće otpornosti). Ovo je dominantan efekat.

• pomak između susednih prozora na suprotnim stranama, tj. rastojanje između prozora na jednoj strani i susednog prozora na suprotnoj strani (veći pomak vodi do veće otpornosti) ∘ Otpornost će takođe varirati sa relativnim pomakom na obe strane prozora, i maksimizira se za datu udaljenost između prozora na istoj strani kada su prozori na jednoj strani na pola puta između najbližih prozora na suprotnoj strani. Ovakav raspored takođe obezbeđuje čak otporno zagrevanje delimično izolujućeg sloja.

• debljina metalne gredice (gde je pomak znatno veći od debljine, veća debljina dovodi do manje otpornosti)

• širina metalne gredice (veća širina dovodi do manje otpornosti)

• specifična otpornost metalne gredice (veća specifična otpornost dovodi do veće otpornosti) • površina prozora (veća površina dovodi do manje otpornosti). Međutim, površina prozora je značajna samo ako je rastojanje između prozora uporedivo sa dimenzijama prozora.

[0051] Tačan odnos se može modelovati uobičajeno dostupnim tehnikama koje su poznate u tehnici ili jednostavnim eksperimentisanjem.

[0052] Nije bitno da prostor između prozora bude pravilan. Važan faktor je da struja može da prođe sa navojka na jednoj strani gredice na drugu, ona mora da prođe kroz prozor u gredicu, zatim duž gredice, i izađe kroz drugi prozor na suprotnoj strani gredice. Jasno je da je moguće da se trenutni ulazak u jedan prozor podeli na više putanja i izađe kroz nekoliko prozora. Proporcija struje koja prati svaku putanju će jednostavno zavisiti od impedanse tog puta (impedansom će dominirati otpornost staza za usporavanje promenljivih struja, ali će induktivnosti putanje ući u igru za brzo promenljive struje).

[0053] Sve dok je rastojanje između prozora na suprotnim stranama gredice uporedivo sa dimenzijama prozora, otpornost putanje između prozora će dominirati, proporcionalno, rastojanju između prozora i obrnuto proporcionalnoj debljini gredice. Ovo je željeni raspored za delimično izolujuću gredicu.

[0054] Ako je poželjna promenljiva otpornost na različitim tačkama namotaja, onda se bilo koje od ovih osobina može promeniti po dužini delimično izolujućeg sloja.

[0055] Izolujuća prevlaka može biti, na primer, poliamid primenjen u obliku Kapton™ trake ili kao tečnost, milar film, izolujući lak ili bilo koji drugi pogodan izolator.

[0056] Metal može biti bakar, mesing, nerđajući čelik, hasteloj ili bilo koji drugi odgovarajući metal (ili nemetalni provodnik) po potrebi. Upotreba materijala kao što je nerđajući čelik od hasteloja omogućava delimično izolujućem sloju da takođe obezbedi poboljšanu strukturnu stabilnost, u poređenju sa konvencionalnim magnetom potpuno od bakra, koji pomaže u suočavanju sa velikim naprezanjima koja se javljaju u tokamaku jakog polja.

[0057] HTS namotaj se može namotati kao što je normalno, sa delimično izolujućim slojem postavljenim između navojaka dok se motaju. HTS namotaj može biti hermetizovan u smolu ili zalemljen zajedno - u poslednjem slučaju, delimično izolujući sloj može opciono biti obložen prevlakom za lemljenje da bi se poboljšala adhezija lema između navojaka. Delimično izolujući sloj je kontinuirano namotan sa HTS navojcima, tako da odvaja svaki navojak namotaja.

[0058] Prozori mogu biti proizvedeni gravurom, sečenjem izolujuće gredice pre nanošenja na metalnu gredice, maskiranom prevlakom sprejom, mlaznom štampom, ili drugim pogodnim metodama poznatim u oblasti (npr. korišćenjem tehnika poznatih po proizvodnji fleksibilnih PCB-a).

[0059] Tamo gde je rastojanje između prozora znatno veće od veličine prozora, a prozori su pomereni tako da su prozori na jednoj strani na pola puta između prozora na drugoj strani, otpornost navojak-navojak RTTmože se aproksimirati kao :

gde je d rastojanje između prozora (tj. između prozora i sledećeg prozora na istoj strani), p je specifična otpornost (uzimajući u obzir da će namotaji raditi na niskoj temperaturi i jakom magnetnom polju), w je širina trake, t je debljina metalne gredice, a L je srednja dužina svakog navojka.

[0060] Na primer, otpornost navojak-navojak od 2,54 mikro-oma mogla bi se postići sa mesinganom gredicom (p = 45 nΩ.m na -20 K) koja ima širinu od 20 mm, debljinu od 50 mikrona, navojak dužine 16,2 m, a razmak između prozora d od 60,5 mm.

[0061] Alternativna struktura "izolacije koja propušta" je prikazana na Slikama 10A (pogled na plan) i 10B (poprečni presek B-B u 10A). Kao što je prethodno opisano, metalna gredica 1001 je snabdevena tankom izolujućom prevlakom 1002 na najmanje HTS-obrađenim stranama. U ovom slučaju, umesto uzdužnog prostora prozora kao u prethodnom primeru, svaka izolujuća prevlaka 1002 ima jedan prozor 1003 (ili "prolaz") koji se proteže duž metalne gredice, a prozor sa svake strane metalne gredice se nalazi na suprotnoj ivici (npr. gredica može imati prozor na levoj strani gornje površine i na desnoj strani donje površine, gledano sa jednog kraja gredice).

[0062] Prozori su prikazani kao da se protežu do ivice metalne gredice, ali to ne mora biti slučaj – tj. može biti izolujući materijal na obe strane prozora.

[0063] Prozori su raspoređeni tako da se ne preklapaju, dozvoljavajući struji 1010 da protiče kroz gredicu putujući samo po širini gredice.

[0064] U ovoj strukturi, otpornost navojak-prema-navojku je određena pomoću:

• rastojanja između prozora na jednoj strani i prozora na drugoj strani (mereno njihovim unutrašnjim ivicama, po širini gredice, veće rastojanje dovodi do veće otpornosti).

• debljina metalne gredice (veća debljina dovodi do manje otpornosti)

• specifična otpornost metalne gredice (veća specifična otpornost vodi do veće otpornosti) • širina svakog prozora (veća širina dovodi do manje otpornosti). Kao i kod površine prozora u prethodnoj konstrukciji, ovo je manji efekat - mada imajte na umu da će u ovom slučaju rastojanje između prozora i širina svakog prozora biti ograničeni širinom metalne gredice.

[0065] Tamo gde je rastojanje između prozora znatno veće od debljine gredice, otpornost navojka prema navojku je data kao:

gde je s rastojanje između prozora, p je specifična otpornost (uzimajući u obzir da će namotaji raditi na niskoj temperaturi i jakom magnetnom polju), t je debljina metalne gredice, a L je dužina svakog navojka.

[0066] Na primer, otpornost navojak-navojak od 2,54 mikro-oma mogla bi se postići sa gredicom od nerđajućeg čelika (p = 486 nΩ.m ) koja ima širinu od 20 mm, debljinu od 50 mikrona, i neizolovanom gredicom od 7,9 mm na suprotnim ivicama sa svake strane.

[0067] U opštem slučaju čije su obe gore navedene konstrukcije posebni primeri, delimično izolujući sloj sadrži metalnu gredicu koja ima tanak izolujući sloj na svakoj strani. Svaki izolujući sloj ima jedan ili više prozora, koji su pomereni u ravni metalne gredice od prozora drugog sloja (pored pomaka zbog debljine gredice). Rastojanje pomaka može biti veće od debljine metalne gredice, i znatno manje od dužine navojaka namotaja (npr. barem pet puta manje, barem deset puta manje ili barem 100 puta manje). Prozori omogućavaju električni kontakt između HTS trake i metalne gredice, što rezultira strujnom putanjom između susednih HTS traka u namotanom namotaju koja se kreće poprečno preko metalne gredice (ili po dužini ili po širini). Ovo omogućava da se otpornost delimično izolujućeg sloja može lako kontrolisati promenom pozicioniranja i prostora prozora, i rezultira većom otpornošću nego što bi bila postignuta samo metalnom gredicom sličnih dimenzija.

[0068] Prozori mogu biti ravnomerno raspoređeni po dužini delimično izolujućeg sloja, pri čemu se takva raspodela proteže po celoj dužini delimično izolujućeg sloja. Alternativno, rastojanje između prozora (ili druge osobine prozora) može se menjati po delimično izolujućem sloju tako da je ukupna otpornost svakog navojka namotaja konstantna.

[0069] U slučaju kada je predviđen samo jedan prozor na svakom delimično izolujućem sloju, svaki prozor može da se produži celom dužinom delimično izolujućeg sloja.

[0070] Da bi se obezbedio električni kontakt kroz prozore, delimično izolujući sloj može biti zalemljen na HTS kablove tokom namotavanja. Alternativno, kontakt se može postići samo usled pritiska u namotaju kada je jednom namotan. Kao dalja alternativa, u prozore se mogu dodati dodatni električno provodljivi umetci, ili metalna gredice može imati izbočine koje se protežu u prozore. Umetci ili izbočine mogu ispuniti ceo prozor, ili mogu ispuniti samo deo prozora. Na primer , tamo gde je prozor "prolaz", umetci se mogu obezbediti u intervalima duž tog prolaza. Ovo dovodi do toga da umetci efikasno deluju na smanjenje veličine prozora, i mogu se koristiti za dalje podešavanje otpornosti delimično izolujućeg sloja.

[0071] Svi različiti rasporedi prozora opisani gore mogu se postići kombinacijom prozora i metalnih umetaka ili izbočina koje delimično ispunjavaju prozore – npr . prostor metalnih umetaka može biti promenljiv uzduž delimično izolujućeg sloja kako bi se obezbedila konstantna otpornost po navojku namotaja.

[0072] Fizičko spajanje delimično izolujućeg sloja i HTS namotaja može biti samo pritiskom (tj. jednostavno kompaktnim namotavanjem namotaja), lepljivom (npr. epoksidnom) vezom izolujuće prevlake i spoljne površine HTS kabla, i/ili zalemljenim spojevima između spoljne metalne površine delimično izolujućeg sloja i HTS kabla.

[0073] Slika 11 pokazuje neka dalja poboljšanja koja se mogu napraviti na delimično izolujućem sloju da bi se obezbedila dobra fizička i električna veza. Kao i ranije, delimično izolujući sloj sadrži metalnu (ili drugu električno provodnu) gredicu 1101 i tanku izolujuću prevlaku 1102. Metalni umetci 1103 se mogu postaviti u prozore ili metalna gredica može imati izbočine koje se protežu kroz prozore kako bi se olakšao kontakt sa HTS kablovima.

[0074] Alternativno ili dodatno, da bi se obezbedila veća površina za lemljenje (a samim tim i lakša proizvodnja namotaja i jače vezanog namotaja), delimično izolujući sloj može takođe da sadrži dodatne metalne gredice 1104, u daljem tekstu „vezne gredice“ vezane za spoljašnje strane izolujućeg sloja. Ove spojne gredice imaju zanemarljiv uticaj na električne osobine sloja, ali omogućavaju da se delimično izolujući sloj zalemi na HTS kabl duž praktično cele površine.

[0075] Delimično izolujući sloj može takođe imati izolujući materijal 1105 vezan za ivice delimično izolujućeg sloja, pokrivajući najmanje ivice metalne gredice 1101, kako bi se izbegli lemni mostovi preko delimično izolujućeg sloja i/ili preko izolujuće prevlake kada je namotaj proizveden.

[0076] Delimično izolujući sloj može da se proizvede kao fleksibilna PCB - sa izolujućim prevlakama koji se vezuju za metalnu gredicu lepkom, a zatim ugraviraju da formiraju prozore, sa svim daljim metalnim elementima koji se vezuju za izolujuću prevlaku ili metalnu gredicu prema potrebi, tako da budu u električnom kontaktu sa metalnom gredicom. Alternativno, izolujuća prevlaka može imati prethodno isečene prozore (ili biti tako dimenzionisan da obezbedi "prolaze" kada se nanese na gredicu), a zatim da se zalepi za metalnu gredicu tokom namotavanja sa lepkom. Mogu se koristiti i druge metode proizvodnje.

[0077] Slika 12 prikazuje alternativnu konstrukciju delimično izolujućeg sloja. Kao i ranije, delimično izolujući sloj sadrži metalnu gredicu 1201 i izolujuću prevlaku 1202, raspoređene tako da formiraju "prolaz" na jednoj ivici svake strane metalne gredice (kao što je gore opisano s obzirom na Slike 10A i B). U ovom slučaju, metalna gredica je opremljena "spojnicom" ili "petljom" 1203 - tj. savijena je tako da deo metalne gredice koji je izložen na prozoru leži u ravni izolujuće prevlake. Izolujuća prevlaka može biti opremljena prepustom 1204, kako bi se sprečilo neželjeno premošćavanje između metalne gredice i HTS trake na drugoj strani izolujuće prevlake prilikom lemljenja.

[0078] Dok je gore navedeno prvenstveno napisano sa stanovišta delimičnog izolujućeg sloja formiranog nanošenjem izolacije na metalnu gredicu, a zatim namotavanjem ovog sa HTS kablom da bi se formirao namotaj, biće cenjeno da konstrukcije gde se izolacija nanosi na HTS kabl koji se zatim namotava golom metalnom gredicom su ekvivalentni, kao i konstrukcije gde se HTS kabl, izolacija, i metalna gredica spajaju tokom namotavanja. U stvari, "delimično izolujući sloj" se može formirati na licu mesta kada je namotaj namotava.

[0079] U daljoj alternativi izolujućeg sloja koji propušta, spiralni omotač od izolujućeg materijala, kao što je Kapton™ traka, može biti omotan oko gredice metala, namerno ostavljajući zazore između izolujućih navojaka da bi se formirali "prozori". Alternativno, svaki navojak bi mogao biti spiralno omotan izolujućim slojem, ostavljajući zazore da formiraju "prozore". Međutim, kontrolisanje specifične otpornosti (tj. kontaktnih površina prozora i pomeranja između prozora na suprotnim stranama) između susednih navojaka bi bilo teže sa kasnijim pristupom.

[0080] Slika 16 A do E prikazuje još jedan alternativni sloj izolacije koja propušta. Kao i kod prethodnih primera, tehničke karakteristike ovog primera ne moraju nužno da se koriste zajedno, i mogu se kombinovati sa karakteristikama drugih primera gde je to prikladno. Sloj izolacije koja propušta se sastoji od 5 slojeva, koji su, po redosledu:

• prvi metalni spojni sloj 1611;

• prvi izolujući sloj 1621;

• električno provodni sloj 1630;

• drugi izolujući sloj 1622;

• drugi metalni spojni sloj 1612.

[0081] Slike 16 A do C prikazuju raspored prvog metalnog spojnog sloja 1611, električno provodnog sloja 1630, i drugog metalnog spojnog sloja 1622 respektivno. Slike 16 D i E su poprečni preseci duž linija D i E na slikama 16 A do C.

[0082] Kao i kod prethodnih primera, sloj za povezivanje je prikazan da bi se olakšalo pričvršćivanje na HTS kablove lemljenjem.

[0083] Za razliku od prethodnih primera gde je električno provodni sloj neprekidna metalna gredica, u ovom primeru je električno provodni sloj podeljen na nekoliko provodnih regiona. Ovi regioni dolaze u dve tipa. Kvadratni region 1631 (iako u praksi mogu biti bilo kog oblika) povezana su preko otvora 1606 samo sa jednim od metalnih spojnih slojeva. Ovi regioni ne utiču na električne osobine delimično izolujućeg sloja, ali obezbeđuju termalni put kroz odgovarajući izolujući sloj. Promenom veličine ovih regiona i broja spojeva između njih i metalnog spojnog sloja, termalne osobine delimično izolujućeg sloja mogu se menjati nezavisno od električnih osobina.

[0084] Svaki drugi region 1632 spaja prozor 1601 prvog izolujućeg sloja 1621 sa prozorom 1602 drugog izolujućeg sloja 1622. Otpornost između prozora može se kontrolisati promenom geometrije regiona 1632 – npr. gde region 1632 sadrži stazu 1633 koja je izdužena kao što je prikazano na Slici 16B, povećanje širine staze bi smanjilo otpornost između prozora, a povećanje dužine staze (npr. obezbeđivanjem nelinearne staze, ili pomeranjem prozora) bi povećala otpornost između prozora.

[0085] Prozori 1601 u prvom izolujućem sloju su formirani izbušenim otvorom kroz prvi spojni sloj i prvi izolujući sloj, koji su zatim obloženi metalom 1603 (ili drugim električno provodnim materijalom) da bi se povezali prvi spojni sloj i električni provodni sloj. Prozori 1602 u drugom izolujućem sloju se formiraju bušenjem otvora 1602 kroz sve slojeve, koji se zatim oblažu metalom 1604 (ili drugim električno provodnim materijalom). Da bi se sprečilo formiranje spoja sa prvim spojnim slojem kroz prozore 1602 drugog izolujućeg sloja, prvi spojni sloj je urezan oko prolaza 1602 da bi ga električno izolovao, a izolujući poklopac 1605 je postavljen na kraj prolaza 1602 kako bi se osiguralo da ne dođe do premošćavanja usled lemljenja ili kontakta sa HTS kablom.

[0086] Kao alternativa, prozori 1602 mogu umesto toga da budu izbušeni sa druge strane delimično izolujućeg sloja, tako da prolaze kroz drugi spojni sloj, drugi izolujući sloj, i električno provodni sloj, i da ne prolaze (ili ne prolaze u potpunosti kroz) prvi izolujući sloj. Kao dalja alternativa, svi prozori mogu biti formirani od otvora koji prolaze kroz sve slojeve, sa nagrizanjem drugog spojnog sloja i izolujućeg poklopca na drugom sloju veze koji se koristi za prozore 1601 prvog izolujućeg sloja.

[0087] Kao primer, delimično izolujući sloj prema slikama 16 A do E može biti proizveden fleksibilnim PCB procesom, kako sledi:

• Prvi izolujući sloj 1621 je obezbeđen, i obložen bakrom na svojoj gornjoj i donjoj površini (da bi se formirao prvi spojni sloj 1611 i električno provodni sloj 1630 respektivno). • Prvi izolujući sloj 1621 presvučen bakrom (tj. slojevi 1621, 1611m 1630) je izbušen da bi se formirao otvor 1601 i rupe su obložene (1603).

• Električno provodni sloj 1630 je urezan da formira regione 1632 (i opciono regione 1631, iako je poželjno da oni mogu biti urezani).

• Drugi izolujući sloj 1622 se nanosi na električno provodni sloj 1630. Ovo može biti isti izolator kao i prvi izolujući sloj, ili različiti izolator.

∘ U jednom primeru, drugi izolujući sloj može biti lepak koji se koristi za povezivanje drugog provodnog sloja.

• Drugi spojni sloj 1612 se nanosi na drugi izolujući sloj 1622.

• Otvori se buše kako je gore opisano da bi se formirali prozori 1602 u prvom i drugom izolujućem sloju.

• Otvori su obloženi bakrom 1604.

• Prvi spojni sloj je urezan kako bi se prozori 1602 izolovali od tog sloja (1611).

• Izolujući poklopac 1605 se nanosi na kraj otvora koji formira prozore 1602 na prvom spojnom sloju 1611.

[0088] Naravno, gde se samo neke od karakteristika primera sa Slika 16 A do E koriste u delimično izolujućem sloju, metod koraka koji odgovaraju odsutnim karakteristikama ne bi bili izvedeni.

[0089] Primetiće se da se opšte karakteristike primera delimično izolujućih slojeva stavljenih na uvid javnosti gore mogu kombinovati na različite načine, i mogu se koristiti odvojeno od drugih karakteristika u odgovarajućim primerima. Na primer, prozori u izolujućim slojevima mogu biti obezbeđeni kao u primeru „prolaza“ (Slika 10A), sa jednim izduženim prozorom na ivici svakog izolujućeg sloja, u kombinaciji sa uzorkovanim električno provodnim slojem sa Slike 16B, i električno provodni sloj može biti opremljen sa "spojnicom" za dovođenje električnih kontakata uzorkovanog električno provodnog sloja u ravan izolujućeg sloja, kao na Slici 12.

[0090] Primećeno je da dok je veći deo gornjeg opisa bio fokusiran na velike HTS namotaje, „izolacija koja propušta“ stavljena na uvid javnosti iznad bi takođe bila primenljiva na manje HTS namotaje kako bi se obezbedila kontrolisana otpornost navojka prema navojku u tim namotajima.

[0091] Različite metode proizvodnje namotaja uključujući takvu kao "izolaciju koja propušta" biće sada diskutovana. Oni su prikazani samo kao primeri, a stručna osoba će razumeti da su moguće druge metode namotavanja, i da elementi svakog primera mogu biti kombinovani na različite načine koji ovde nisu prikazani.

[0092] Delimično izolujući sloj može biti prethodno formiran (npr. fleksibilnim PCB procesom proizvodnje kao što je gore opisano), ili se može formirati na licu mesta tokom namotavanja. Nanošenje izolujuće prevlake na metalnu gredicu može uključivati nanošenje lepka (npr. epoksida) na izolujuću prevlaku i/ili metalnu gredicu pre njihovog povezivanja.

[0093] Tamo gde je delimično izolujući sloj formiran pre namotavanja u namotaj (ili prethodnoformiran, ili u ranijoj fazi procesa namotavanja, kao što je opisano kasnije), sloj može biti opremljen HTS trakom na svakoj strani, da potpomogne lakše spajanje tokom procesa namotavanja.

[0094] Slika 13 prikazuje shematski dijagram primera sistema namotavanja. Namotaj 1300 je namotan od tri kalema HTS trake 1301 i delimično izolujućeg sloja 1302. Delimično izolujući sloj se formira na licu mesta od dva kalema HTS trake 1311, dva kalema izolujuće trake 1312 presvučene sa svake strane suvim epoksidom, i kalema folije 1313 od nerđajućeg čelika. Sklop delimično izolujućeg sloja plus HTS trake se spaja zajedno propuštanjem kroz toplotne i pritisne valjke 1303 (koji se mogu izostaviti ili zameniti valjcima koji ne primenjuju značajnu toplotu ili pritisak ako je pritisak namotaja dovoljan da očvrsne epoksid). Svako od delimično izolujućeg sloja 1302 i HTS trake 1301 se propušta kroz kutiju 1304 za fluks da bi se primenio fluks na izložene površine.

[0095] Dok je namotaj na Slici 13 prikazan kao kružan, sličan sistem namotaja se može koristiti za namotavanje bilo kog oblika namotaja (npr. korišćenjem različitih oblika prikazanih ranije).

[0096] Slika 14 prikazuje poprečni presek sklopa delimično izolujućeg sloja plus HTS trake. Sklop se sastoji od trake 1401 od nerđajućeg čelika umetnute između izolujućih slojeva 1402, koji su u navojku umetnuti između HTS traka 1403. Svaki sloj je spojen epoksidom, iako se epoksid ne koristi na direktnim spojevima između trake od nerđajućeg čelika i HTS trake (da obezbedi dobar električni spoj). Ovaj način proizvodnje namotaja je poželjniji za veće namotaje - pošto će minimalni radijus savijanja delimično izolujućeg sloja plus HTS sklopa biti ograničeniji od onog kod jedne HTS trake (zbog debljine sklopa). Međutim ovo se može prevazići delimičnim "prethodnim savijanjem" sklopa u proizvodnji, tj. formiranjem u delimično savijenom stanju (tako da je položaj "nulte-deformacije" na poluprečniku zakrivljenosti koji je srednji između ravne trake i minimalnog radijusa zakrivljenosti namotaja).

[0097] U prikazanom primeru, izolujuća traka je postavljena tako da obezbedi tehničko rešenje "prolaza", sa jednim velikim prozorom na jednoj ivici svake strane trake. Ovo se postiže pomeranjem izolujuće trake od HTS trake i nerđajuće čelične trake tokom namotavanja, kako bi se formirao prepust 1410. Ovaj prepust pomaže da se spreči neželjeno električno premošćivanje između HTS i nerđajućeg čelika kada je sklop zalemljen, ili kada je namotaj "hermetički zalemljen" kao što je opisano u nastavku. Alternativno, može se obezbediti izolujuća traka koja je uža od nerđajućeg čelika, i poravnata sa jednom ivicom nerđajućeg čelika (da bi se obezbedio „prolaz“ na drugoj ivici).

[0098] Tamo gde delimično izolujući sloj ima prozore u drugim rasporedima, može se obezbediti lemljenje tokom montaže delimično izolujućeg sloja kako bi se obezbedilo električno spajanje između HTS trake i čelične trake - na primer kada prozori ne bi dozvolili komunikaciju fluida sa spoljne ivice delimično izolujućeg sloja. Alternativno ili dodatno, mogu se koristiti dodatni metalni umetci unutar prozora ili izbočine u metalnom sloju, kao što je prethodno opisano.

[0099] Da bi se i konsolidovao namotaj i obezbedilo poboljšano električno spajanje, namotaj može biti "hermetički zalemljen" ili "konsolidovan lemljenjem" - tj . potpuno obložena lemom, kojem je dozvoljeno da prodre u namotaj (po analogiji sa "epoksidnom hermetizacijom" kao što je dobro poznato u tehnici). Slika 15 prikazuje primer hermetički zalemljenog namotaja. Namotaj sadrži delimično izolujući sloj 1510 i HTS kabal 1520. Delimično izolujući sloj 1510 sadrži metalne gredice 1511 i izolujuće prevlake 1512, pri čemu izolujuće prevlake imaju prepust 1513 koji strči van ivica namotaja. Kada je namotaj hermetički zalemljen, lem 1530 će pokriti površine namotaja i protezati se između HTS traka kabla, čime se obezbeđuje električno povezivanje između HTS traka kabla i između HTS kabla i metalnog sloja. Metalne površine HTS traka i izložene metalne površine delimično izolujućeg sloja mogu se tretirati fluksom pre lemljenja.

[0100] Namotaj se zatim može mašinski obrađivati duž ravni 1514 (tačkaste linije), da bi se odsekli prepusti i izgladio lem, što dalje obezbeđuje da nema lemnih mostova preko ostalih prepusta.

[0101] Tamo gde je delimično izolujući sloj opremljen izolujućom prevlakom na ivicama umesto prepusta (npr. kao što je prikazano na Slici 11 i opisano iznad), namotaj se može mašinski obrađivati do ove izolujuće prevlake nakon hermetičkog lemljenja. Ako korišćeni lem ne vlaži korišćenu izolujuću prevlaku, onda se takvi mostovi možda neće formirati ako je izolujuća prevlaka na ivici dovoljno široka.

[0102] Kao alternativa obezbeđivanju prepusta na jednoj strani namotaja, ta strana namotaja može biti obložena maskom koja se može ukloniti (npr. dvo-komponentni silikon) koja sprečava lem da premosti spajanja na toj strani. Ovakav raspored olakšava poravnanje namotaja, jer se sve HTS trake i delimično izolujući sloj mogu rasporediti tako da jedan kraj leži na zajedničkoj ravni.

[0103] Dok je hermetičko lemljenje prikazano za tahničko rešenje "prolaza", ono je podjednako primenljivo i na druge konstrukcije prikazane ranije. U nekim slučajevima, prepusti 1513 mogu biti obezbeđeni sa obe strane svake izolujuće prevlake, ili samo uzduž delova delimično izolujućeg sloja, tj. gde su spojevi preko izolujućeg sloja nepoželjni, bez prepusta tamo gde su takvi spojevi prihvatljivi (takvi gde se prozor pruža do ivice metalnog sloja). Ako su prozori u izolujućim prevlakama postavljeni tako da nisu u fluidnoj komunikaciji sa spoljašnjom stranom namotaja, onda se može izvršiti posebna faza lemljenja tokom namotavanja za lemljenje spojeva kroz ove prozore - ili bilo koji od drugih metoda spajanja koji su ovde otkriveni se mogu koristiti umesto toga (npr. dodatni metalni umetci unutar prozora).

[0104] Gde je delimično izolujući sloj u stanju da se električno spoji sa HTS trakom samo pritiskom (npr. u tehničkim rešenjima Slika 11 i 12, i drugim tehničkim rešenjima u kojima je deo metalnog sloja ili komponenti električno spojeni sa metalnim slojem u ravni izolujuće prevlake), električno spajanje se može formirati između HTS-a i delimično izolujućeg sloja bez hermetičkog lemljenja ili drugog lemljenja, mada se lem i dalje može koristiti ako se želi. U ovom slučaju namotaj može biti epoksidom hermetizovan da bi se poboljšala mehanička stabilnost - iako treba voditi računa da epoksid ne blokira bilo koji od električnih spojeva (ili unutar HTS kabla ili između kabla i delimično izolujućeg sloja).

[0105] HTS kabl može biti zalemljen odvojeno, ili pre namotavanja ili tokom procesa namotavanja. Lemljenje tokom namotavanja može se postići prevlakom svake HTS trake tako što se obloži lemom dok je nepovezana, i provuče zajedno kroz zagrejani valjak da se formira kabl, koji se zatim namota sa delimično izolujućim slojem.

[0106] Zbog male veličine zazora između HTS kabla i metalnog sloja u nekim tehničkim rešenjima, lem možda neće vlažiti ove zazore tokom hermetizacije – to će zavisiti od sastava lema, metalnog sloja, i spoljne površine HTS kabla. Ovo će se generalno dogoditi tamo gde su metalni sloj i spoljna površina HTS kabla različiti. Kao takvi, u tehničkim rešenjima gde električno spajanje nije napravljeno direktnim kontaktom metalnog sloja i HTS kabla metalni sloj i spoljna površina HTS kabla mogu biti slični metali ili ovi zazori mogu biti zalemljeni pojedinačno pre nego putem hermetizacije.

[0107] Slično, lem generalno neće vlažiti zazor između izolujućeg sloja i HTS trake. Nakon hermetičkog lemljenja, namotaj može biti hermetizovan epoksidom da bi se ovi zazori konsolidovali (barem tamo gde imaju fluidnu komunikaciju sa spoljašnjom stranom namotaja).

[0108] U nekim slučajevima (npr. kada se delimično izolujući sloj proizvodi kao fleksibilna PCB) može biti poželjno da se naprave kraće dužine delimično izolujućeg sloja (npr. 2 do 5m) i da se spoje čeonim spojevima unutar namotaja. Ovo treba smatrati jednim „delimično izolujućim slojem“ u bilo kom od gornjih primera.

[0109] Dok je gore navedeno otkriće tretiralo mnoge varijable podjednako, biće cenjeno da za dati magnet, proces projektovanja može ograničiti neke varijable i omogućiti slobodan izbor u drugim.

Na primer, tamo gde je poznato potrebno magnetno polje i geometrija magneta, proces projektovanja može uključivati sledeće korake:

• određivanje potrebnog broja "amper-navojaka" (tj. broj navojaka N pomnožen pogonskom strujom I) da bi se proizvelo potrebno magnetno polje.

• izbor vrednosti I i N da bi se obezbedila induktivnost L (zavisna od N) i radijalna otpornost R (zavisna od N i otpornosti navojak-navojak RTT) koji će postići prihvatljivu vremensku konstantu (gde će "prihvatljivo" zavisiti od slučaja korišćenja).

• izbor osobina delimične izolacije da bi se obezbedio potreban RTT.

[0110] Izbor I i RTTće verovatno biti ograničen drugim faktorima – npr. pogonska struja ne može biti iznad kritične struje HTS kablova, a RTTće zavisiti od prihvatljive debljine delimično izolujućeg sloja i širina traka (oba će verovatno biti određena drugim razmatranjima - npr. raspoloživim prostorom i performansama HTS traka).

[0111] Dok se gornji opis odnosi na namotani pljosnati namotaj, slična razmatranja će se primeniti na sekcione namotaje. Za takve namotaje, zavisnosti L i R od parametara namotaja mogu biti različite, ali ih stručna osoba može utvrditi korišćenjem normalnih tehnika projektovanja HTS magneta.

[0112] Prikazano otkriće dozvoljava upotrebu ne/delimično izolovanih namotaja dozvoljavajući da se vremenska konstanta L/R podesi kako bi se dao dobar kompromis između prihvatljivog brzog vremena promene namotaja i dugog vremena prozora između formiranja vruće-tačke u jednom navojku i kada dolazi do oštećenja HTS trake. Ovo omogućava da se vruća tačka detektuje praćenjem temperature namotaja i, ako je potrebno, aktiviraju se aktivni sistemi zaštite od gašenja da bi se struja magneta spustila u dužem vremenskom periodu u poređenju sa ekvivalentnim izolovanim namotajem.

[0113] Pored toga, neizolovani namotaji zahtevaju manje bakra ili drugog metalnog stabilizatora od ekvivalentnih izolovanih namotaja, pošto se bakar može „deliti“ između HTS kablova (tj. namotaj kao celina zahteva dovoljno bakra da deli struju samo od podskupa kablova, umesto da svaki HTS kabl zahteva dovoljno bakra da deli struju iz tog kabla). Zbog toga, se veće gustine struje mogu postići sa delimično izolovanim namotajima, što je posebno korisno u primenama kao što je toroidni namotaj polja sfernog tokamaka, gde je debljina namotaja značajno projektno razmatrana (u slučaju sfernog tokamaka, da bi se minimizirao radijus centralne kolone, ili dozvoljava više zaštite od neutrona za dati poluprečnik centralne kolone).

[0114] Ako je ponašanje izolovanog namotaja poželjno za normalan rad, prednosti neizolovanog namotaja se i dalje mogu postići tokom gašenja upotrebom prelaznog materijala metal-izolatora kao što je vanadijum oksid koji ima veoma visoku otpornost kada je hladan, i relativno malu otpornost (najmanje 10 puta manji) kada se zagreje iznad prelazne temperature (pribl. 110 K u slučaju vanadijum oksida). Kao takav, "poluizolovan" namotaj sa prelaznim materijalom metalizolator između navojaka bi se ponašao kao izolovani namotaj tokom normalnog rada i tokom porasta (koji ima veoma malu vremensku konstantu), i kao neizolovani namotaj tokom gašenje (što će prouzrokovati da se prelazni materijal metal-izolator zagreje i postane provodan). Ovo omogućava da RTkada prelazni metal metal-izolator ima malu otpornost i bude što je moguće manji bez negativnog uticaja na vremensku konstantu porasta (pod uslovom da RTna niskim temperaturama obezbeđuje dovoljno malu vremensku konstantu, ali to je lako postići jer prelazni materijali metal-izolator imaju veoma oštar pad otpornosti oko njihove prelazne temperature, npr. najmanje 10 puta pad otpornosti preko 10 Kelvina, ili čak 10<3>puta pad otpornosti preko 10 Kelvina).

[0115] Gore navedeno otkriće se može primeniti na različite HTS magnetne sisteme. Pored tokamak fuzionog reaktora pomenutog gore kao primer, može se koristiti za HTS namotaje u uređajima za nuklearnu magnetnu rezonancu (NMR / MRI), manipulaciju magnetnim uređajima unutar nemagnetnog medijuma preko magnetnih polja (npr. sistemi robotske magnetne navigacije za manipulisanje medicinskim uređajima unutar pacijenta), i magneti za elektromotore, npr. za elektronske avione. Kao dalji primer, otkriće se može primeniti na uređaje za terapiju protonskim mlazom koji sadrže HTS magnetne sisteme koji uključuju otkrivene karakteristike, gde se HTS magnetni sistemi koriste u akceleratoru PBT uređaja, kvadrupolnim ili dipolnim upravljačkim magnetima PBT uređaja, ili bilo kojem drugom magnetu PBT uređaja.

Claims (26)

Patentni zahtevi

1. Visokotemperaturni superprovodni, HTS, namotaj polja, HTS namotaj polja koji sadrži:

mnoštvo navojaka koji sadrže HTS materijal i metalni stabilizator;

delimično izolujući sloj koji razdvaja navojke, tako da se struja može deliti između navojaka preko delimično izolujućeg sloja;

delimično izolujući sloj koji sadrži:

električno provodni sloj (901, 1001, 1101, 1201) obložen sa jedne strane prvim izolujućim slojem (902, 1002, 1102, 1202) i sa druge strane drugim izolujućim slojem (902, 1002, 1102, 1202) ;

svaki izolujući sloj koji ima jedan ili više prozora (903, 1003, 1103, 1203) kroz koje se može ostvariti električni kontakt između navojaka i električno provodnog sloja;

pri čemu su prozori u prvom izolujućem sloju pomereni u ravni električno provodne gredice od prozora u drugom izolujućem sloju.

2. HTS namotaj polja prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu je električno provodan sloj neprekidna električno provodna gredica.

3. HTS namotaj polja prema patentnom zahtevu 1, pri čemu elektro provodni sloj sadrži mnoštvo regiona, pri čemu svaki region električno spaja odgovarajući prvi prozor u prvom izolujućem sloju sa odgovarajućim drugim prozorom u drugom izolujućem sloju, i pri čemu je svaki region električno izolovan u ravni električno provodnog sloja od ostalih regiona.

4. HTS namotaj polja prema patentnom zahtevu 3, pri čemu svaki region obuhvata stazu između prvog i drugog prozora, pri čemu je dužina staze između prvog i drugog prozora najmanje dvostruko veća od širine staze merene vertikalno na dužinu.

5. HTS namotaj polja prema patentnom zahtevu 4, pri čemu je svaka staza nelinearna.

6. HTS namotaj polja prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu je svaki prozor u drugom sloju deo odgovarajućeg prolaza koji se prostire kroz prvi izolujući sloj, drugi izolujući sloj i električno provodni sloj, pri čemu delimično izolujući sloj dalje sadrži izolujući poklopac na svakom prolazu na kraju u blizini prvog izolujućeg sloja.

7. HTS namotaj polja prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu je rastojanje pomaka između svakog prozora na jednom sloju i najbližeg prozora na drugom sloju veće od debljine električno provodnog sloja, i/ili pri čemu je rastojanje pomaka između svakog prozora na jednom sloju i najbližeg prozora na drugom sloju manje od 1/5 dužine navojaka HTS namotaja polja, poželjnije manje od 1/10, još poželjnije manje od 1/50.

8. HTS namotaj polja prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu svaki izolujući sloj sadrži mnoštvo prozora pomerenih duž dužine delimično izolujućeg sloja.

9. HTS namotaj polja prema patentnom zahtevu 8, pri čemu su prozori na svakom izolujućem sloju pravilno raspoređeni sa razmakom koji je isti za oba izolujuća sloja, i pri čemu svaki prozor ima istu površinu, i/ili pri čemu su prozori na jednom izolujućem sloju pomereni od onih u suprotnom izolujućem sloju tako da je svaki prozor na jednom izolujućem sloju jednako udaljen od dva najbliža prozora suprotnog izolujućeg sloja.

10. HTS namotaj polja prema patentnom zahtevu 8 ili 9, pri čemu su izolujući slojevi formirani:

spiralnim omotavanjem izolujuće trake oko električno provodnog sloja; ili

spiralnim omotavanjem izolujuće trake oko navojaka;

tako da zazori u spiralnom namotaju formiraju prozore.

11. HTS namotaj polja prema bilo kom od patentnih zahteva 1 do 7, pri čemu svaki izolujući sloj sadrži jedan prozor koji se proteže duž dužine izolujućeg sloja, a prozor na jednom izolujućem sloju je pomeren duž širine delimično izolujućeg sloja od prozora u drugom izolujućem sloju.

12. HTS namotaj polja prema patentnom zahtevu 11, pri čemu je električno provodni sloj savijen tako da deo električno provodnog sloja koji je izložen na svakom prozoru leži u ravni odgovarajućeg izolujućeg sloja.

13. HTS namotaj polja prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu se svaki izolujući sloj prostire izvan električno provodnog sloja na najmanje jednoj strani.

14. HTS namotaj polja prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu:

delimično izolujući sloj sadrži električno provodne umetke u ili u svakom prozoru; svaki prozor je obložen električno provodnim materijalom; i/ili

električno provodni sloj sadrži električno provodne izbočine koje se protežu u ili u svaki prozor;

i pri čemu:

električno provodni umetci ili izbočine ispunjavaju odgovarajući prozor; ili električno provodni umetci ili izbočine ispunjavaju samo deo odgovarajućeg prozora, a električni kontakt između električno provodnog sloja i navojaka kroz prozor je samo preko električno provodnih umetaka.

15. HTS namotaj polja prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu delimično izolujući sloj sadrži električno provodne spojne gredice koje se nalaze izvan izolujućih slojeva i električno spojene sa električno provodnom gredicom preko prozora, pri čemu su električno provodne spojne gredice električno povezane sa susednim navojcima.

16. HTS namotaj polja prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu delimično izolujući sloj sadrži mnoštvo delova povezanih čeonim spojevima.

17. Metod proizvodnje HTS namotaja polja, metod koji obuhvata:

obezbeđivanje HTS kabla, pri čemu HTS kabal sadrži HTS materijal i metalni stabilizator; obezbeđivanje delimično izolujućeg sloja, pri čemu delimično izolujući sloj sadrži:

električno provodni sloj (901, 1001, 1101, 1201) obložen sa jedne strane prvim izolujućim slojem (902, 1002, 1102, 1202) a sa druge strane drugim izolujućim slojem (902, 1002, 1102, 1202);

pri čemu svaki izolujući sloj ima jedan ili više prozora (903, 1003, 1103, 1203) kroz koje se može ostvariti električni kontakt između navojaka i električno provodnog sloja;

pri čemu su prozori u prvom izolujućem sloju pomereni u ravni električno provodnog sloja od prozora u drugom izolujućem sloju;

sklapanje HTS kabla i delimično izolujućeg sloja zajedno kako bi se formirao HTS namotaj polja, tako da se struja može deliti između navojaka HTS kabla preko delimično izolujućeg sloja.

18. Metod prema patentnom zahtevu 17, pri čemu obezbeđivanje delimično izolujućeg sloja obuhvata odvojeno obezbeđivanje svakog električno provodnog sloja i, izolujućih slojeva i formiranje delimično izolujućeg sloja tokom namotavanja HTS namotaja.

19. Metod prema patentnom zahtevu 18, pri čemu formiranje delimično izolujućeg sloja tokom namotavanja namotaja obuhvata pričvršćivanje izolujućih slojeva na električno provodni sloj epoksidom i očvršćavanje epoksida upotrebom zagrejanih valjaka pritiskom neposredno pre namotavanja delimično izolujućeg sloja u namotaj.

20. Metod prema patentnom zahtevu 17, pri čemu obezbeđivanje delimično izolujućeg sloja obuhvata:

vezivanje izolujućih slojeva za električno provodni sloj pomoću lepka;

urezivanje izolujućih slojeva kako bi se formirali prozori.

21. Metod prema bilo kom od patentnih zahteva 17 do 20, pri čemu obezbeđivanje delimično izolujućeg sloja obuhvata:

obezbeđivanje prvog izolujućeg sloja;

prevlačivanje površine prvog izolujućeg sloja električno provodnim slojem;

pričvršćivanje drugog izolujućeg sloja za električno provodni sloj;

bušenje prozora u prvom i drugom izolujućem sloju.

22. Metod prema bilo kom od patentnih zahteva 17 do 21, i koji obuhvata hermetičko lemljenje HTS namotaja polja.

23. Metod prema patentnom zahtevu 22, pri čemu najmanje jedan od delimično izolujućih slojeva ima prepust koji se proteže izvan električno provodnog sloja na najmanje jednoj strani, i koji obuhvata, nakon koraka hermetičkog lemljenja, mašinsku obradu te strane HTS namotaja do nivoa da se ukloni bar deo prepusta.

24. Metod prema bilo kom od patentnih zahteva 22 do 23, i koji obuhvata, pre hermetičkog lemljenja, nanošenje maske koja se može ukloniti na jednu stranu HTS namotaja, i uklanjanje maske nakon hermetičkog lemljenja.

25. Tokamak fuzioni reaktor koji sadrži HTS namotaj polja prema bilo kom od patentnih zahteva 1 do 16, pri čemu je HTS namotaj polja jedan od navedenih: toroidni namotaj polja ili poloidalni namotaj polja.

26. Terapija protonskim mlazom, PBT, uređaj koji sadrži HTS namotaj polja prema bilo kom od patentnih zahteva 1 do 16, pri čemu je HTS namotaj polja jedan od:

namotaj polja akceleratora PBT uređaja;

dipolni ili kvadrupolni magnet sistema upravljanja protonskim mlazom PBT uređaja.