Simulation and Mitigation of Screening Current in High-Temperature Superconductor Magnet for Magnetic Resonance Application

Abstract

초전도 자석은 다량의 전류가 흐를 수 있는 한편 발열 손실이 거의 발생하지 않는다는 매력적인 특성을 바탕으로 강한 자석에 대한 엄청난 가능성을 가지고 있다. 그들은 실제로 고성능 및 대용량 응용기기를 위한 전자석에 대하여 혁신적인 기술을 가능하게 했다. 그 중에서도 초전도 자석은 상전도 자석 보다 높은 자기장 강도와 균일성을 제공함으로써 핵자기공명 및 자기공명영상 응용기기에 핵심적인 역할을 수행해 왔다.

지난 몇 년 동안, 저온 초전도 자석은 핵자기공명 및 자기공명 응용기기를 개발하는 데 있어 실로 핵심적인 역할을 했다. 그러나 핵자기공명 및 자기공명영상용 저온 초전도 자석의 최대 자기장 강도의 실질적인 한계에 도달했다. 따라서 고온 초전도 자석은 자기공명 응용기기, 즉 핵자기공명 및 자기공명영상 응용기기에서 저온 초전도 자석의 핵심 역할을 대체하기 위해 긍정적으로 검토되고 있으며 그 이유는 고온 초전도 선재는 저온 초전도 선재 대비 높은 자기장 환경에서 보다 우수한 전류 통전 용량을 가지고 있는 것으로 확인되었기 때문이다.

핵자기공명 및 자기공명영상 응용기기용 고온 초전도 자석을 개발하는 데 있어 중요한 과제는 차폐 전류 및 그 결과적 영향, 즉 차폐 전류 유도 자기장과 차폐 전류 유도 응력이다. 이와 관련하여, 차폐 전류로 인한 고 자기장 고온 초전도 자석의 전자기 및 기계적 고장에 대한 여러 연구가 보고되었다. 차폐 전류 유도 자기장은 공간 자기장 균일성 및 시간 자기장 안정성 측면에서 고온 초전도 자석의 자기 성능을 저하시킨다. 차폐 전류 유도 응력은 자석 작동에서 기계적 안정성을 저하시킨다. 이에 따라 고온 초전도 자석 분야에서는 수치 해석을 통한 차폐 전류의 심층적인 이해와 차폐 전류 및 그에 따른 영향을 완화하기 위한 실용적 기술이 시급한 상황이다.

본 논문에서는 자기공명 응용기기를 위한 고온 초전도 자석의 차폐 전류 문제를 다루는 것을 목표로 한다. 차폐 전류 특성을 모사 할 수 있는 수치 해석 방법이 부족하고 차폐 전류를 실질적으로 완화할 수 있는 실용적 기법이 부족한 것을 현재의 고온 초전도 자석 기술의 문제로 정의한다. 그런 다음 수치 해석과 실질적 기술의 두 가지 측면에서 두 가지 해결책이 제공된다. 각 해결책은 실험 연구를 통해 입증된다. 두가지 해결책에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.

첫째, 차폐 전류와 그에 따른 영향을 모사하기 위해 수치 해석 방법을 연구한다. 차폐 전류 유도 효과를 설명하기 위해 여러 해석 방법이 개발된다. 예를 들어, 불균일한 전류 밀도, 고온 초전도 코일의 비선형 유도 전압, 공간 및 시간 자기장 거동 및 과도한 기계적 스트레스에 대한 해석 방법이 개발된다. 그런 다음 고온 초전도 핵자기공명 자석에 대한 분석 연구를 수행하여 차폐 전류와 그 영향을 설명함에 있어 제안된 수치 해석 방법의 유효성을 입증한다. 핵자기공명 응용기기을 위한 3~T 및 9.4~T 전 고온 초전도 자석이 분석 연구에 채택된다. 수치 해석의 계산 결과는 전압, 공간 자기장, 공간 자기장 균일성, 시간 자기장 안정성 및 자석 작동의 기계적 안정성 측면에서 측정된 결과와 비교된다. 그 결과 계산과 측정 결과 사이에 양호한 일치성이 확인되었다. 결론적으로, 비교 결과는 제안된 수치 해석 방법의 사용이 고온 초전도 자석의 차폐 전류에 의해 유도되는 비선형 전자기 거동을 설명하는 데 유효함을 시사한다.

둘째, 고온 초전도 코일의 차폐 전류를 완화하기 위한 실용적인 솔루션으로 최적 설계된 맞춤형 전기 히터를 제안한다. 해당 기술의 핵심 개념은 고온 초전도 코일의 온도 구배를 최적화하는 것이다. 완화 메커니즘은 선별전류의 특성에 따라 임계전류의 크기에 따라 달라지게 되는데 열지우개는 최적의 온도제어로 고온 초전도 코일 내 개별 권선의 임계전류의 크기를 의도적으로 낮추는 것을 목표로 한다. 고온 초전도 코일과 최적 설계된 전기 히터를 포함하는 초전도 모듈은 전도 냉각 설비에서 설계, 제작 및 실험 된다. 본 실험 연구를 통해 히터의 활성화로 인한 차폐 전류 유도 자기장 감소가 포착되었으며, 이는 차폐 전류가 완화됨을 의미한다. 실험 결과는 최적 설계된 전기히터를 사용하여 차폐 전류를 실질적으로 억제할 수 있는지 그 타당성을 검증한다. 비선형 수치 분석 방법으로 실험 후 분석을 수행한다. 그 결과, 온도 구배와 차폐 전류 유도 자기장 감소 측면에서 분석과 측정 결과 간의 양호한 일치성이 확인되었다.

결론적으로, 본 논문은 핵자기공명 및 자기공명이미지 용 저온 초전도 자석의 유망한 대안인 고온 초전도 자석의 문제점을 정의하고 수치해석 및 실용기법 측면에서 솔루션을 제공한다. 수치 및 실험 연구는 솔루션의 유효성을 확인한다. 이 논문의 주요 기여는 다음과 같이 요약된다. 첫째, 수치 해석 방법은 차폐 전류를 ``정확하게" 설명하기 위해 제안 및 시연되며 이 연구를 통해 선택된 차폐 전류 문제를 수치 방식으로 해결할 수 있을 것으로 기대 한다. 둘째, 열지우개는 고온 초전도 코일의 차폐 전류를 ``실질적으로" 완화하기 위해 제안 및 시연되었으며, 이 연구를 통해 실용적인 방식으로 차폐 전류 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대한다. 이 해결책들을 통해 수치 해석 방법과 실용적인 기술의 부족으로 인한 차폐 전류 문제를 해결 할 수 있을 것이다. 따라서 나는 이 논문이 더 높은 자기장 강도와 균일성을 탐구하는 길을 열어줄 것이라고 믿는다. 마지막으로, 이 논문이 차세대 핵자기공명 및 자기공명영상 응용기기를 위한 고자기장 고온 초전도 자석의 새로운 지평을 열 수 있기를 바란다.

Superconductor magnets hold immense promises for strong magnets based on the fascinating nature that high current can flow with negligible Joule-heating loss dissipation. They have indeed enabled a disruptive technology in high-field and large-power applications. Among the applications, superconductor magnets have played an essential role in nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance imaging (MRI) applications by providing higher magnetic field intensity and uniformity---it is well-known that higher fields created by superconductor magnets can guarantee the higher performance of NMR and MRI applications.

In the past years, low-temperature superconductor (LTS) magnets have played a key role in developing NMR and MRI applications. However, the practical limit of the maximum field intensity of LTS magnets has reached for NMR and MRI. Hence, recently, high-temperature superconductor (HTS) magnets have been positively reviewed to substitute the key role of LTS in magnetic resonance (MR) applications, i.e., NMR and MRI---it is identified that HTS conductors have a superior current-carrying capacity in high fields compared to their LTS counterparts.

Significant challenges in developing HTS magnets for NMR and MRI applications are detrimental effects caused by screening current: e.g., screening current-induced field (SCF) and screening current-induced stress (SCS). Multiple studies of electromagnetic and mechanical failures of high field HTS magnets due to screening current have been reported. SCF degrades the magnetic performances of an HTS magnet in terms of spatial magnetic field uniformity and temporal magnetic field stability. SCS degrades mechanical stability in the magnet operation. Accordingly, an in-depth understanding of screening current with numerical simulation and a practical technique to mitigate screening current and its consequential effects are urgently required in the HTS magnet discipline.

In this thesis, I thus aim to resolve selected screening current issues of detrimental effects on HTS magnets for MR applications. The lack of numerical simulation methods to explain screening current and the lack of practical techniques to mitigate screening current are defined as problems of the current HTS magnet technology. Then, two solutions are provided in the two aspects of numerical simulation and practical technique; each solution is demonstrated with experimental studies. The detailed descriptions for the two solutions are as follows.

Numerical simulation methods are studied to elucidate screening current and its consequential effects. As a result, multiple simulation methods are developed to explain screening current-induced effects: e.g., non-uniform current density, nonlinear inductive voltage behaviors, spatial and temporal magnetic field behaviors, and excessive mechanical stress distribution. Then, numerical studies of HTS NMR magnets analysis are performed to demonstrate the validity of the proposed simulation methods for describing screening current and its detrimental effects. In this study, 3~T and 9.4 T all-HTS magnets for NMR applications are adopted. Calculation results from nonlinear numerical simulation are compared to measured ones in terms of voltages, spatial magnetic fields, spatial field uniformity, temporal field stability, and mechanical stability in the magnet operation. Good agreements between calculation and measurement results are confirmed. Conclusively, comparison results suggest that the use of proposed numerical simulation methods may be valid in describing nonlinear electromagnetic behaviors induced by screening current in an HTS magnet.

A customized electric heater named ``Thermal Eraser" is discussed as a practical solution to mitigate detrimental effects caused by screening current. The key concept of Thermal Eraser is the optimal temperature control to degrade spatially distributed critical current. In detail, the mitigation mechanism is implemented by the nature of screening current depending on the critical current's magnitude. Here, Thermal Eraser intentionally lowers the magnitude of critical currents of individual windings in an HTS coil by the optimal temperature control. A superconducting module, including an HTS coil and a Thermal Eraser, is designed, constructed, and tested in a conduction cooling facility. With this experimental study, SCF reduction is captured due to activation of the Thermal Eraser, which implies screening current is mitigated. The test results validate the feasibility of using the Thermal Eraser in mitigating screening current. A post-experiment analysis is performed with the numerical analysis methods. As a result, good agreements between calculation and measurement results are confirmed in terms of temperature gradient and SCF reduction.

In conclusion, this thesis defines issues of HTS magnet, which is a promising alternative to LTS magnet for NMR and MRI, and provides solutions in the aspect of numerical simulation methods and a practical mitigation technique. Numerical and experimental studies confirm the validity of the solutions. The key contributions of this thesis are summarized as follows. First, numerical simulation methods are proposed and demonstrated to ``precisely'' describe screening current, and they can address the selected screening current issues in a numerical way. Second, Thermal Eraser is proposed and demonstrated to ``substantially'' mitigate screening current in an HTS coil, and it can address the issues in a practical way. With the solutions, screening current issues caused by the lack of numerical simulation methods and practical techniques could be resolved. Therefore, I believe this thesis would pave the way to explore higher field intensity and uniformity. Finally, I hope this thesis opens a new horizon of high field HTS magnets for the next-generation NMR and MRI applications.