CN102623167B - 二硼化镁制造闭环超导线圈的方法及其闭环超导线圈 - Google Patents

Abstract

本发明系一种用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法。该方法为：步骤一：将未经烧结过的二硼化镁超导线按照螺线管磁体的绕制方法绕制在线圈骨架上；步骤二：将线圈超导线的两端与开关超导线的两端对应分别放置于超导接头内，在超导接头内填入未经烧结的二硼化镁粉并振实，将超导接头封口，所述线圈超导线与开关超导线首尾相连形成封闭回路的闭环超导线圈；步骤三：将闭环超导线圈置于真空炉或者充有保护气体的炉内进行烧结；步骤四：缓慢冷却后取出；本发明还包括由上述方法制得的闭环超导线圈。闭环超导线圈可在20K左右温度无电阻运行，仅需使用廉价的制冷机就可维持所需运行温度，可省去使用价格昂贵的液氦，磁体的维护操作也大大简化。

Description

二硼化镁制造闭环超导线圈的方法及其闭环超导线圈

技术领域

本发明系一种用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法及其闭环超导线圈，该线圈可以被用于制作磁共振成像系统、核磁共振谱仪、物理实验磁体、超导限流器及超导发电机等设备。

背景技术

超导材料在高科技领域有着广泛的用途。超导材料有两个重要的特性,一个是它的抗磁特性,即迈斯纳效应，另一个是它的零电阻特性。目前使用最广泛的磁共振成像装置利用的就是其零电阻特性。超导材料制作的闭路线圈，在超导临界转变温度以下无电阻运行，产生稳定的磁场，在被测物中激励出核磁共振信号。

对于低温超导材料，制做闭环超导线圈是成熟技术，已被应用到超导磁体的制造中去，而二硼化镁闭环超导线圈的研发才刚刚开始，关键步骤是制作连接二硼化镁超导线的超导接头，目前还没有成功的先例。

发明内容

一、要解决的技术问题

本发明的目的是针对现有技术所存在的上述问题，提供一种二硼化镁超导线的超导接头的制作方法，从而可以使用二硼化镁超导线制成闭环超导线圈。

二、技术方案

为解决上述技术问题，本发明使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法有以下步骤：

步骤一：将未经烧结过的二硼化镁线圈超导线按照螺线管线圈的绕制方法绕制在线圈骨架上；

步骤二：将线圈超导线的两端与开关超导线的两端对应分别放置于超导接头内，在上述超导接头内填入未经烧结的二硼化镁粉并振实，将超导接头封口，上述线圈超导线与开关超导线首尾相连形成封闭回路的闭环超导线圈；

步骤三：将上述闭环超导线圈置于真空炉或者充有保护气体的炉内烧结；

步骤四：缓慢冷却后取出。

作为优化，上述线圈骨架由无磁性金属或者陶瓷制成。

作为优化，上述线圈超导线及开关超导线外部设有金属包套，上述步骤二之前还包括使用酸性溶液将线圈超导线与开关超导线的两端的包套腐蚀掉的步骤。

作为优化，上述酸性溶液为硫酸、硝酸或者盐酸溶液。

作为优化，上述烧结温度为650～950℃。

作为优化，上述真空炉烧结的真空度高于10^-1Pa。

作为优化，上述烧结时间为0.5～7.0小时。

作为优化，上述保护气体为氩气或者氮气。

一种根据上述方法制得的闭环超导线圈，其中，包括按照螺线管线圈的绕制方法绕制在线圈骨架上的线圈超导线，还包括开关超导线，上述线圈超导线与开关超导线的两端对应分别置于超导接头内，上述超导线与开关超导线两端的芯部延伸出包套，上述超导接头内的填充物设有填充物。

作为优化，上述填充物为二硼化镁粉。

三、本发明的有益效果

闭环超导线圈的制作，除了线圈的绕制，关键的步骤是将缠绕线圈的导线两端连接到一起，形成一个封闭回路。在闭环超导线圈实际运行时,电流在封闭回路内流动没有电阻,线圈在正常维护的情况下,几十年也不会有明显的衰减,既不消耗能量,又能提供服务。

常用的超导材料有铌钛，铌三锡等，即所谓的低温超导材料，运行在液氦温区，即绝对温度4.2K左右。二硼化镁(MgB₂)化合物作为超导材料是本世纪初由日本科学家发现的。二硼化镁的超导临界转变温度为39K。虽然它仍属于低温超导材料的范畴，但是比起传统的低温超导材料，它的超导临界转变温度要高得多，创造了金属间化合物超导材料超导临界转变温度的新纪录，它的发现大大震动了凝聚态物理研究领域。早在1986年，科学家就发现了液氮温区（绝对温度77K左右）超导的氧化物高温超导材料，后来经过科学家们的持续努力，超导临界转变温度被提高到了140K以上。氧化物高温超导材料虽然具有运行温度高的优势，但由于其相干长度小，凝聚能和磁通钉扎能低，层状结构导致很强的各向异性等等缺陷导致了其加工制造和实际应用困难。二硼化镁与氧化物高温超导材料相比具有四大优势：首先，氧化物高温超导材料，特别是第二代高温超导带材，其实际应用的时间表不确定，技术上还远没有成熟。其次，氧化物高温超导材料是典型的陶瓷材料，容易发生脆断，同时陶瓷材料的焊接也是一个很大的问题。超导线圈通常是闭环情况下使用的，要通过焊接做到闭环，二元合金二硼化镁比氧化物高温超导材料要容易得多。第三，二硼化镁超导体的电流衰减率要比氧化物高温超导材料慢得多，因此适合在闭路恒电流模式下使用。第四，二硼化镁造价低廉，预计承载1000安培的超导导线价格仅为2～3美元／米，比通常的铜导线还要便宜，是钇钡铜氧涂层导体所不可比拟的。

二硼化镁超导线圈可以在20K温度左右运行，仅需使用小型廉价的制冷机制冷就可以维持运行温度。这将使得系统可以省去使用价格昂贵的液氦，操作也大大的简化。例如，很多只有少数医院才能使用的核磁成像装置可以装上汽车，使固定装置成为移动式设备，轻松地转移到偏远地区给病人诊治，市场效应和社会效应都将是巨大的。

附图说明

图1是本发明闭环超导线圈的结构示意图；

图2是本发明超导接头的剖面图。

图中，1为线圈超导线，2为开关超导线，3为骨架，4为螺旋线圈，5为超导接头，6为填充物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法及其闭环超导线圈作进一步说明：

实施方式一：本发明系用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，该方法有以下步骤：

步骤一：将未经烧结的二硼化镁线圈超导线1以螺线管线圈绕制法绕制于无磁金属或者陶瓷制成的线圈骨架3上，本实施例线圈骨架3选用奥氏体不锈钢制成，其直径为1m；

上述线圈超导线1选用铜制包套材料的。使用酸性溶液将线圈超导线1及开关超导线2的各自两端5mm处的铜制包套溶解掉，使包套内的芯部裸露出来；

上述酸性溶液为硝酸、硫酸或者盐酸，本实施例溶剂选用浓度为1mol/L的硝酸。将芯部外的包套溶解后，用纯水快速清洗三遍，以去除反应产物和多余酸液，而后用无水酒精喷淋露在外的芯部，再用吹风机吹干；

上述线圈超导线1及开关超导线2均做同样的处理。

步骤二：将按步骤一处理过的线圈超导线1的一端与开关超导线2的一端并列置于超导接头5内，然后在上述超导接头5内填入未经烧结的二硼化镁粉，用超声波震动将接头内的粉末震实，用氩弧焊焊接将超导接头5封死；线圈超导线1的另一端与开关超导线2的另一端也做同样处理，从而两根超导线首尾连接形成闭合回路，上述开关超导线2中部用双线并绕法绕成一个螺旋线圈4，开关超导线2的两端用上述方法接入回路。这一步骤在充有干燥氮气的手套箱内操作完成。

步骤三：将闭环超导线圈置于真空炉内进行烧结；炉内的烧结温度为700℃，炉内的真空度为1.5×10^-2Pa，烧结时间为5个小时；二硼化镁化学反应完成，在39K温度下线圈的接头电阻小于10^-14欧姆。

步骤四：上述闭环超导线圈缓慢冷却后取出。

如图1和2所示，根据上述方法所制得的闭环超导线圈，包括按照螺线管线圈的绕制方法绕制在线圈骨架3上的线圈超导线1，还包括开关超导线2，上述线圈超导线1与开关超导线2的两端对应分别置于超导接头5内，上述超导线与开关超导线2两端的芯部延伸出包套，可将上述开关超导线2中部多余部分收线为螺旋线圈4，上述超导接头5内的填充物6为二硼化镁粉，在烧结之前该二硼化镁粉是未经过化学反应的二硼化镁超导前驱粉。

实施方式二：本发明二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其中，该方法有以下步骤：

步骤一：将未经烧结的二硼化镁超导线1以螺线管线圈绕制法绕制于无磁金属或者陶瓷制成的骨架3上，本实施例骨架3选用陶瓷制成，其直径为1m；

上述线圈超导线1选用铜制包套材料的。使用酸性溶液将线圈超导线1及开关超导线2的各自两端5mm处的铜制包套溶解掉，使包套内的芯部裸露出来；

上述酸性溶液为硝酸、硫酸或者盐酸，本实施例溶剂选用浓度为1mol/L的盐酸。将芯部外的包套溶解后，用纯水快速清洗三遍，以去除反应产物和多余酸液，而后用无水酒精喷淋露在外的芯部，再用吹风机吹干；

上述线圈超导线1及开关超导线2均做同样的处理。

步骤二：将按步骤一处理过的线圈超导线1的一端与开关超导线2的一端并列置于超导接头5内，上述超导接头5内填入未经烧结的二硼化镁粉，用超声波震动将接头内的粉末震实，用激光焊接将超导接头5封死；线圈超导线1的另一端与开关超导线2的另一端也做同样处理，从而两根超导线首尾连接形成闭合回路，可将上述开关超导线2中部多余部分收线为螺旋线圈4。这一步骤在充有干燥氮气的手套箱内操作完成。

步骤三：将闭环超导线圈置于真空炉内进行烧结；其炉内的烧结温度为750℃，其炉内的真空度为2.0×10^-2Pa，其烧结时间为4小时；二硼化镁化学反应完成，在39K温度下线圈的接头电阻小于10^-14欧姆。

步骤四：上述闭环超导线圈缓慢冷却后取出。

本实施例制得的闭环超导线圈的连接结构与实施方式一基本相同。

实施方式三：本发明二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其中，该方法有以下步骤：

步骤一：将未经烧结的二硼化镁超导线1以螺线管线圈绕制法绕制于无磁金属或者陶瓷制成的骨架3上，本实施例骨架3选用奥氏体不锈钢制成，其直径为1.20m；

上述线圈超导线1选用铜制包套材料的。使用酸性溶液将线圈超导线1及开关超导线2的各自两端5mm处的铜制包套溶解掉，使包套内的芯部裸露出来；

上述酸性溶液为硝酸、硫酸或者盐酸，本实施例溶剂选用浓度为0.1mol/L的硫酸。将芯部外的包套溶解后，用纯水快速清洗三遍，以去除反应产物和多余酸液，而后用无水酒精喷淋露在外的芯部，再用吹风机吹干；

上述线圈超导线1及开关超导线2均做同样的处理。

步骤二：将按步骤一处理过的线圈超导线1的一端与开关超导线2的一端并列置于超导接头5内，上述超导接头5内填入未经烧结的二硼化镁粉，用超声波震动将接头内的粉末震实，用激光焊接将超导接头5封死；线圈超导线1的另一端与开关超导线2的另一端也做同样处理，从而两根超导线首尾连接形成闭合回路，可将上述开关超导线2中部多余部分收线为螺旋线圈4。这一步骤在充有干燥氮气的手套箱内操作完成。

步骤三：将闭环超导线圈置于充满氩气保护的炉内进行烧结，氩气流量为每分钟20毫升；其炉内的烧结温度为760℃，其烧结时间为5.5个小时；上述机械混合物中的硼粉与镁粉在烧结过程中生成二硼化镁化合物，在39K温度下线圈的接头电阻小于10^-14欧姆。

步骤四：上述闭环超导线圈缓慢冷却后取出。

本实施例制得的闭环超导线圈的连接结构与实施方式一基本相同。

以上上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：该方法有以下步骤：

步骤一：将未经烧结过的二硼化镁超导线按照螺线管线圈的绕制方法绕制在线圈骨架上；

步骤二：将线圈超导线的两端与开关超导线的两端对应分别放置于超导接头内，在所述超导接头内填入未经烧结的二硼化镁粉并振实，将超导接头封口，所述线圈超导线与开关超导线首尾相连形成封闭回路的闭环超导线圈；

步骤三：将所述闭环超导线圈置于真空炉或者充有保护气体的炉内烧结；

步骤四：缓慢冷却后取出。

2.根据权利要求1所述的使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：所述线圈骨架由无磁性金属或者陶瓷制成。

3.根据权利要求1所述的使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：所述线圈超导线及开关超导线外部设有金属包套，所述步骤二之前还包括使用酸性溶液将线圈超导线与开关超导线的两端的包套腐蚀掉的步骤。

4.根据权利要求3所述的使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：所述酸性溶液为硫酸、硝酸或者盐酸溶液。

5.根据权利要求1或3所述的使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：所述烧结温度为650～950℃。

6.根据权利要求1或3所述的使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：所述真空炉烧结的真空度高于10^-1Pa。

7.根据权利要求1或3所述的使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：所述烧结时间为0.5～7.0小时。

8.根据权利要求1所述的使用二硼化镁超导线制造闭环超导线圈的方法，其特征在于：所述保护气体为氩气或者氮气。

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