CN101593598B - 形成连接式线圈布置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成连接式线圈布置的方法,包括将第一线圈(202)的引线(208)连接(104)到第二线圈(204)的引线(210)。采用超导接合合金(214)连接第一线圈(202)的引线(208)和第二线圈(204)的引线(210),接合合金(214)能经受住受热后的封装材料的温度而不会熔化。

Description

形成连接式线圈布置的方法
技术领域
本发明涉及一种形成连接式线圈布置的方法,此类布置可用于超导磁体中的超导线圈上。本发明还涉及一种超导焊料,此类超导焊料用于将第一线圈的一根引线连接到第二线圈的一根引线上,还可将来自线圈一个区段的一根引线连接到同一线圈另一区段的一根引线上。
背景技术
在磁共振成像(MRI)领域中,人们知道提供超导磁体来产生称为B0场的匀强静态磁场,以在待测物体中极化核自旋。
超导磁体通常包括线圈支撑结构,其承载由一种在极低温度下表现出超导特性的合金构成的超导导线的多个绕组。在此方面,许多线圈围绕线圈支撑结构形成,且必须以串联方式连接到线圈上。每个线圈具有各自的一对引线,所述引线尤其用于串联连接线圈。对于一些超导磁体设计,一个以上线圈可包括串联接合在一起的许多线圈区段,以形成给定线圈。
在线圈区段和/或线圈的串联连接之前,将线圈封装在树脂中以防止绕组移动。然而,在树脂中封装线圈之后,需要清洁引线以便除去其上残留的树脂。此清洁过程会损坏引线,使整个线圈或线圈区段报废。因此需要在树脂中封装线圈区段和/或线圈之前连接引线,并因此连接线圈。在此方面,用于接合线圈区段和/或线圈的常用过程使用称为“伍德合金”的超导合金来接合来自各自线圈或线圈区段的两根引线作为串联连接的一部分。然而,由于伍德合金的熔点相对较低,树脂封装过程将引起使用伍德合金形成的各个焊料接合处的熔化,也就破坏了焊料接合处的完整性。因此,在封装阶段之后进行接合处的钎焊,但引线并没有封装在树脂中。替代地,限制经封装引线以避免其在包括线圈的超导磁体的操作期间的移动。另外,伍德合金含有镉,镉对环境有害,因此在使用期间需要特殊预防措施以保护使用伍德合金的人的健康。
发明内容
根据本发明的第一方面,提供一种形成封装连接式线圈布置的方法。该方法包括:使用超导接合合金,通过钎焊(solder)或熔接(infusion)将第一线圈的第一引线连接到电路装置的第二引线;以及在封装材料中封装第一线圈、电路装置以及接合到二者上的引线。接合合金的熔点高于封装材料在封装过程中所经历的最高温度。
为了避免混淆,本文对线圈、线圈区段和开关的参考是电路装置的实例。
第一线圈的第一引线和电路装置的第二引线的连接可能导致第一线圈和电路装置的串联连接。
超导接合合金可为低温下的超导体。其超导转变温度低于约10开尔文,也可以低于约9.2开尔文,还可以低于约5开尔文,如大约4.2K。
电路装置可为第二线圈。
电路装置可为低温开关。
超导接合合金可包括:重量百分比从40%到56%的铋、从44%到60%的铅,以及不可避免的杂质的平衡。
超导接合合金可包括:重量百分比从30%到55%的铋、从30%到50%的铅和从15%到30%的锡,以及不可避免的杂质的平衡。
超导接合合金可包括重量百分比从35%到45%的铋,其可包括重量百分比从35%到45%的铅,其可包括重量百分比从17%到20%的锡。
超导接合合金可包括重量百分比约为55.5%的Bi和约44.5%的Pb。
超导接合合金可包括重量百分比约52.5%的Bi、约32%的Pb和约15.5%的Sn。
超导合金可呈条、棍、粉末、实心或带芯导线、箔、预成型件或焊膏的形式。
超导合金的熔点可高于约90℃。
超导合金可具有大约95℃的熔点,其也可具有高于约96℃的熔点。
超导合金可具有低于约137℃的熔点。
封装材料可为热固性材料。该热固性材料可为树脂。
封装材料可为热塑性材料。该热塑性材料可为蜡或聚酯。
根据本发明的第二方面,提供一种用于X射线断层摄影的超导磁体的形成方法,该方法包括上文本发明第一方面提到的形成连接式线圈布置的方法。
因此可能提供一种将第一线圈的引线连接到第二线圈的引线的方法,使包含连接式引线的线圈能够被封装而不损坏连接式引线的焊料接合处。因此,引线不必经过清洁阶段,也不必被限制以避免引线在有效电磁场中的移动。使用超导接合合金与生产超导磁体的现有制造工艺良好的兼容,且避免了镉的使用。
附图说明
参照附图,仅借助实例来描述本发明的至少一个实施例,附图中:
图1是构成本发明的一个实施例的形成连接式线圈布置的一种方法的流程图;以及
图2是采用图1的方法所形成的一对连接式线圈的示意图。
以下整个描述中相同参考标号表示相同的部件。
具体实施方式
参看图1和2,如在极低的温度下,使用能表现出超导特性的各种合适的合金,由第一组成线圈202和第二组成线圈204形成超导磁体线圈200(步骤100)。在此实例中,由铌-钛合金形成的导线嵌入铜或铜-镍基质中,并根据该领域已知的各种合适的技术缠绕成线圈。第一线圈202包括第一引线206和第二引线208,第二线圈204包括第三引线210和第四引线212。第一线圈202串联连接到第二线圈204上以形成超导磁体线圈200。
因此,在此实例中,第一线圈202的第二引线208需要连接到第二线圈204的第三引线210。因此使用本领域技术人员已知的各种合适的技术制备第二引线208和第三引线210(步骤102),如现有的使用硝酸对第二引线208和第三引线210的某些部分进行蚀刻,随后进行氢氟酸蚀刻以使接合处持久牢固。在氢氟酸蚀刻之后,在水中冲洗蚀刻过的导线。随后,将待接合部分交织在一起,并用铟镀封。
一旦完成步骤102,就在高于约125℃的温度下使用焊料合金将第二引线208和第三引线210的上述部分钎焊(步骤104)在一起,以形成超导接合处214;下文将描述超导合金的组成成分。
通过在铸铁坩埚或陶瓷坩埚中熔化重量百分比为55.5%(55.5wt.%)的铋(Bi)来形成焊料合金。接着,在如约125℃的合金槽熔化温度下将重量百分比为44.5%的铅(Pb)添加到熔化的铋中。
上述两种金属的相对比例也可如下:
Figure G2009101338828D00051
温度可在约124℃与126℃之间的范围内。
将上述合金铸造成锭块,当将第二引线208和第三引线210钎焊到在一起时再重新熔化。超导合金可形成为条、棍、粉末、实心或带芯导线、箔、预成型件或焊膏。
通过在铸铁坩埚或陶瓷坩埚中熔化重量百分比为52.5%的铋(Bi)而形成另一种合金。接着,在如96℃的合金槽熔化温度下将重量百分比为32%的铅(Pb)和15.5%的锡(Sn)添加到熔化的铋中。
三种金属的相对比例也可如下:
Figure G2009101338828D00052
温度可在约96℃到137℃之间的范围内。
将上述合金铸造成锭块,当第二引线208和第三引线210钎焊在一起时再重新熔化。超导合金可形成为条、棍、粉末、实心或带芯导线、箔、预成型件或焊膏。
尽管上述组成成分中没有提到杂质,但本领域的技术人员知道,合金会含有不可避免的杂质,但这些杂质的重量百分比不会超过1%。
在以上实施例中产生的各种焊料合金的熔点均高于95℃,例如约在96℃到137℃之间;这是固化热固性材料的典型温度范围。因此所形成的接合处能承受固化热固性材料的温度,使得接合处的完整性不因在热固性固化期间对接合处的加热而受到损害。
接合处的性能经测试发现是持久牢固的,即,每一个接合处都有低电阻,以在操作期间使流过接合处的电流衰减很小,例如小于0.1ppm/hr。此持久度转换成具有小于10-12Ω电阻的接合处。事实上,人们发现流过由上述合金形成的接合处的电流在热固性固化循环之后数量级上不会下降,即使在远远超过如MRI系统的断层摄影系统所需的电流和背景场的电流和背景场下也是如此。
尽管在接合线圈形成超导磁体的上下文中描述了上述实例,但本领域技术人员应了解个别线圈可由线圈区段形成,因此超导磁体可由多个线圈形成,每个线圈由多个串联连接的线圈部分形成。然而,为了更好的解释,本文对接合线圈的参考应理解为包含线圈部分的接合以形成一个给定线圈。此外,还应了解上述实例不局限于将线圈或线圈区段连接到其它线圈线圈区段,还能将线圈或线圈区段连接到其它电路装置中(如低温开关)。
在此方面,一旦已将第二引线208和第三引线210钎焊(步骤104)在一起,在此实例中由称作“开关导线”形成的低温开关就连接在第一引线206与第四引线212之间。开关导线由上文提到的Nb-Ti合金导线或任何其它合适的超导合金形成,所述Nb-Ti合金导线嵌入到铜或铜-镍合金基质中。在将低温开关连接在第一引线206与第四引线212之间的适当位置之前,使用本领域技术人员已知的各种合适的技术,与上文所述制备第二引线208和第三引线210相同的方式来制备第一引线206、第四引线212以及低温开关的引线。例如,第一引线206、第四引线212以及低温开关的引线,它们的若干部分通常使用硝酸来蚀刻,然后使用氢氟酸蚀刻,以使接合处牢固持久。在氢氟酸蚀刻之后,在水中冲洗蚀刻过的导线。随后,将待接合部分交织在一起,并用铟镀封。以各种合适的封装材料(例如,比如树脂的热固性材料,或比如蜡或聚酯的热塑性材料)封装第一线圈202、第二线圈204、低温开关及其相关联引线、第一引线206、第二引线208、第三引线210和第四引线212(步骤106)。
BiPb合金和BiPbSn合金是共熔的,但它们有充分高的熔点以避免当在封装阶段(步骤106)加热时熔化含有的封装材料,如熔点高于约90℃(如约95℃)或高于约120℃(如约124℃或约125℃),。
尽管已在接合由Nb-Ti合金形成的引线的上下文中描述了上述实例,但本领域技术人员应了解超导接合合金适用于接合由其它超导合金(如铌-锡(Nb3Sn)合金)形成的引线。
在另一实施例中,上述合金可用作经蚀刻和熔接接合过程的一部分,以便在两种不同类型的超导材料(如铌-锡(Nb3Sn)带和Nb-Ti导线)之间形成一个混合接合处。在此实例中,Nb3Sn带包括夹在两个铜箔层之间的Nb3Sn薄层。Nb-Ti导线嵌入在铜基质中,但也可使用Ni-Cu基质。为了在形成超导接合处之前制备所述两种不同超导材料的末端部分,起初在约300℃用锡除去超导材料带末端部分的铜箔和超导材料导线末端部分的铜基质。接着在约300℃到400℃之间熔接上述合金中的一种就形成了接合处。随后用各种合适的封装材料(例如,比如树脂的热固性材料,或比如蜡或聚酯的热塑性材料)封装所形成的接合处(步骤106)。
尽管在上述实例中使用了铌-锡带,但本领域技术人员应了解所使用的铌-锡超导合金可形成为导线并用于此处的连接。此外,本领域技术人员应了解,尽管上述实例描述铌-锡带到铌-钛导线的混合接合,但上述技术也可用于铌-钛导线到铌-钛导线的接合。
尽管已在将线圈或线圈区段串联连接到其它电路装置的上下文中描述了上述实例,但本领域技术人员应了解,该接合过程可用于实现线圈或线圈区段到电路装置的并联连接。

Claims (12)

1.一种形成一种封装的连接式线圈布置的方法,所述方法包括:
使用一种超导接合合金,通过钎焊或熔接将一个第一超导线圈的一根第一引线连接到一个电路装置的一根第二引线;以及
在封装材料中封装所述第一超导线圈、所述电路装置以及所述第一超导线圈和所述电路装置的接合引线,所述超导接合合金的熔点高于所述封装材料在封装的过程中所经历的最高温度;其中
所述电路装置是一个第二超导线圈或者一个低温开关;
所述超导接合合金包括:
重量百分比从40%到56%的铋;
重量百分比从44%到 60%的铅,
以及不可避免的杂质的平衡。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述超导接合合金包括重量百分比为55.5%的铋和44.5%的铅。
3.一种形成一种封装的连接式线圈布置的方法,所述方法包括:
使用一种超导接合合金,通过钎焊或熔接将一个第一超导线圈的一根第一引线连接到一个电路装置的一根第二引线;以及
在封装材料中封装所述第一超导线圈、所述电路装置以及所述第一超导线圈和所述电路装置的接合引线,所述超导接合合金的熔点高于所述封装材料在封装的过程中所经历的最高温度;其中
所述电路装置是一个第二超导线圈或者一个低温开关;
所述超导接合合金包括:
重量百分比从30%到55%的铋;
重量百分比从30%到50%的铅;
重量百分比从15%到30%的锡,
以及不可避免的杂质的平衡。
4.根据权利要求3所述的方法,其中所述超导接合合金包括重量百分比为52.5%的铋、32%的铅和15.5%的锡。
5.根据权利要求1或3所述的方法,其中所述超导接合合金的超导转变温度低于10开尔文。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述超导转变温度低于9.2开尔文。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述超导转变温度低于5开尔文。
8.根据权利要求1或3所述的方法,其中所述超导接合合金呈条、棍、粉末、实心或带芯导线、箔、预成型件或焊膏的形式。
9.根据权利要求1或3所述的方法,其中所述超导接合合金的熔点高于90℃。
10.根据权利要求1或3所述的方法,其中所述封装材料是一种热固性材料。
11.根据权利要求1或3所述的方法,其中所述封装材料是一种热塑性材料。
12.一种用于断层摄影的超导磁体的形成方法,所述方法包括根据前述任一权利要求所述的形成一种封装的连接式线圈布置的方法。
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