CN102723162A - 一种不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈 - Google Patents

Abstract

一种不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈。其线圈骨架采用无磁不锈钢材料。线圈骨架由直管状的芯筒和端板组成。在芯筒的外表面和端板的内侧均有导热层和氧化铝陶瓷涂层，导热层位于陶瓷涂层与线圈骨架之间。在陶瓷涂层外绕制Nb₃Sn超导线圈。超导线圈最外层是复合绑扎层。复合绑扎层的内层为耐高温的无碱玻璃丝布，外层为无磁的不锈钢丝。超导磁体线圈间隙内通过真空浸渍方法填充满固化填充材料。线圈骨架上均匀排布有通孔。线圈骨架端板进出线孔内安装有陶瓷绝缘套管，Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管中经过线圈骨架端板，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管为近似“T”形空心圆柱结构，该陶瓷绝缘套管将Nb₃Sn超导线与线圈骨架隔离定位并保持电绝缘。

Description

一种不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈

技术领域

本发明涉及一种超导磁体线圈，特别涉及一种不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈。

背景技术

Nb₃Sn超导材料与其他超导材料相比，具备高场(10T以上)条件下临界电流密度高、临界温度高、性能稳定等综合优点,在高场磁体、核磁共振以及受控核聚变装置中具有不可替代的作用。

Nb₃Sn超导磁体系统主要由Nb₃Sn超导磁体线圈、制冷及低温器件、电气测量与控制等三大部分组成。其中，Nb₃Sn超导磁体线圈是超导磁体系统的核心部件，强磁场的产生就是Nb₃Sn超导线圈在低温超导状态下两极通电从而产生的。根据对磁场分布形态的不同需求，超导磁体线圈具备多种形状，如螺线管形、鞍形、饼形等。其中，螺线管形状的超导磁体线圈应用范围最广泛。

超导磁体线圈是需要由超导线绕制在线圈骨架上完成。超导磁体线圈骨架在磁体系统中起到承载超导磁体线圈绕组、定位空间位置、传导低温冷量、固定其它电气元件的作用。线圈骨架材料的选取条件是：

(1)需要具备较高的强韧性和刚度，能够承载线圈在强磁场洛伦兹力作用下导致的形变；

(2)能够经受冷热循环冲击，不发生变形、开裂等形式的失效；

(3)低温导热性能好，能够及时将外部冷却介质的冷量通过线圈骨架材料传导到线圈内部，能够在线圈出现局部热点的时候迅速将热量传导到外部，防止局部温升异常致使线圈失超甚至烧毁；

(4)无铁磁性。线圈骨架的铁磁性会对线圈磁场的形位和场强都造成干扰，因此线圈骨架必须具备无铁磁性。

Nb₃Sn材料中具备A-15结构的Nb₃Sn化合物相的高度有序结构是产生超导电性的原因。由于Nb₃Sn化合物塑、韧性差,容易受到外界损伤从而破坏了超导性，因此无法直接制成具备超导性能的Nb₃Sn线材。在Nb₃Sn磁体实际工程使用中，需要首先制成具有较好塑性和强度的铌－铜锡合金复合线，并将之绕在设计的线圈骨架上，然后将线圈连同线圈骨架整体进行600~700℃真空热处理，通过元素扩散反应生成具备超导电性的Nb₃Sn化合物，形成Nb₃Sn超导线圈。热处理反应后再将Nb₃Sn超导线圈进行真空浸渍工艺处理，使线圈导线内外灌满液态环氧树脂，以强化超导线圈整体的强度。在热处理过程中，线圈骨架需要在高温环境下经受7~20天甚至更长的连续处理，显然通常采用的环氧树脂、铜合金、铝合金等熔点或软化温度较低的线圈骨架材料已不能满足高温实验环境要求，而且常用的环氧树脂、聚酰亚胺、聚酯等绝缘材料也已经失效，因此需要采用新的线圈骨架和绝缘技术满足Nb₃Sn超导磁体线圈的要求。在选择线圈骨架材料的同时，也需要对线圈骨架结构、进出线结构进行特殊设计，并需考虑后续工艺的连接。

综上所述，在超导磁体建造工艺中，现有材质和结构的超导线圈骨架及其超导磁体线圈结构具有一定的缺点，需要开发一种新型的超导磁体线圈结构满足Nb₃Sn超导磁体线圈的技术要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的Nb₃Sn超导磁体线圈结构中在线圈骨架材料和绝缘性能方面存在的问题，提出一种基于不锈钢材料骨架的新型超导磁体螺线管线圈。本发明能够经受长时间高温热处理和液氦温度低温运行，满足Nb₃Sn磁体的技术要求。

本发明采用的技术方案在于：

一种不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，是由Nb₃Sn超导线逐匝、逐层地紧密绕制在线圈骨架上组成；所述线圈的骨架采用无磁不锈钢材料制作；所述的线圈骨架由直管状的芯筒和位于芯筒两端的端板组成，所述芯筒的外表面和所述端板内侧均有导热层和陶瓷涂层，其中，陶瓷涂层材质为氧化铝，采用等离子喷涂工艺制备；导热层材质为银，位于陶瓷涂层与骨架之间。所述的陶瓷涂层外绕制有Nb₃Sn超导线圈，所述的Nb₃Sn超导线圈的最外层是复合绑扎层。在所述的陶瓷涂层与复合绑扎层之间的超导磁体线圈的间隙内充满固化填充材料。

其中，固化填充材料为掺有球形陶瓷颗粒的低温聚氨酯改性环氧树脂材料。

其中，球形陶瓷颗粒材料为氮化硼或氮化铝，球形陶瓷颗粒直径为50-300微米，球形陶瓷颗粒与低温聚氨酯改性环氧树脂材料的质量配比为1:6。经过改性的环氧树脂材料相比普通环氧树脂材料，其低温强度更高，抗热震性能更好。氮化铝陶瓷的常温理论热导率可达300W/(m·K)，45K时热导率值为25W/(m·K)，在131K附近达到了约92W/(m·K)。这说明氮化铝在低温下是良好的导热体，又由于有着极好的电绝缘性能，非常适合在超导系统中用作绝缘导热材料。同样，氮化硼的晶体结构与石墨极其相似，具有熔点高、密度小、热膨胀系数小、导热性好、抗热震性优良、电绝缘性好、介电常数和介电损耗小等优良的特性。因此在低温聚氨酯改性环氧树脂材料掺杂氮化硼或氮化铝球形陶瓷颗粒可以不影响电气绝缘性能的同时有效提高材料的低温热导率。

其中，超导线圈骨架上均匀排布有通孔，所述的通孔专门用于Nb₃Sn超导线圈的液态固化填充材料浸渍。通过该通孔，采用真空浸渍方式在所述的线圈骨架及陶瓷涂层与复合绑扎层之间的超导磁体线圈的间隙内充满固化填充材料。由于Nb₃Sn超导线需在在热处理后才能表现出超导性能，且热处理后超导线材料本身非常脆，极易折损，需要在热处理前完成Nb₃Sn线圈绕制。由于固化填充材料中的基体材料为环氧树脂，而环氧树脂在高温环境下会发生失效，因此必须在热处理以后再进行固化填充材料的固化。为了使液态固化填充材料能够顺利穿过超导线层，渗透到超导磁体线圈内部，在超导磁体线圈骨架上设置的通孔便于液态固化填充材料流入超导磁体线圈内的超导线缝隙之间，完成浸渍处理。此外，在超导线圈骨架上均匀排布有通孔的作用还可以有效钉扎抑制陶瓷涂层裂纹的扩展，保护陶瓷涂层。

其中，线圈骨架的端板上开有出线孔，出线孔内安装有陶瓷绝缘套管，Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管中经线圈骨架端板，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管保证了Nb₃Sn超导线和线圈骨架之间的电气绝缘性能，防止磁体失超时瞬时的高压造成超导磁体线圈和线圈骨架之间的绝缘击穿，损伤超导磁体。

其中，所述的复合绑扎层为双层结构，其内层为耐高温的无碱玻璃丝布，外层为无磁的不锈钢丝。内层的无碱玻璃丝布能够经受长时间高温热处理而保持优异的绝缘性能，在液态固化填充材料浸渍过程中，无碱玻璃丝布可浸渍吸收一部分液态固化填充材料，形成类似玻璃钢块体的高强度材料。外层的无磁的不锈钢丝紧紧绑扎住超导磁体线圈，防止在通电时超导磁体线圈在电磁力的作用下沿半径方向向外扩张变形过大，造成超导磁体线圈失超甚至损坏。

其中，所述的陶瓷绝缘套管为近似“T”形的空心圆柱结构，其外圆柱面的台阶为锥形，锥度角α为90度，材料为氧化铝；所述的线圈骨架的端板上的出线孔也为近似“T”形的圆柱孔，其内孔面的台阶为锥形，其锥度角与陶瓷绝缘套管外圆柱面的锥形台阶的锥度角α相等；陶瓷绝缘套管从线圈骨架的端板内侧插入所述的出线孔中，并通过超导磁体线圈内超导线对陶瓷绝缘套管的轴向挤压力实施对陶瓷绝缘套管的轴向定位，通过陶瓷绝缘套管的外圆柱面的锥形台阶面与线圈骨架端板上出线孔的内孔锥形台阶面两者之间的接触配合对其进行径向定位；Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管的中心孔中穿出线圈骨架，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管起到将Nb₃Sn超导线与线圈骨架隔离定位并保持电绝缘的作用。

其中，采用等离子喷涂工艺制备的氧化铝陶瓷涂层绝缘性能优异，绝缘等级高，比重轻。相比其他陶瓷材料，氧化铝低温热膨胀系数与金属材料更接近，不易造成低温热震裂纹。

其中，银材质的导热层的作用在于：一方面，银材料的高热导率性能可以提高骨架的导热能力，及时分散线圈的局部温升，降低线圈失超几率，保护线圈稳定运行；另一方面，银本身的塑、韧性优异，处于陶瓷涂层与不锈钢骨架之间可以有效消除或降低两者材料之间由于应力积聚造成的断裂倾向。

本发明的特点在于：

采用成本较低的无磁不锈钢材料作为线圈骨架材料，具备耐高温、高强度、易加工的优点，同时不锈钢材料的低温冷缩系数与Nb₃Sn超导线相似，避免在液氦低温下超导线圈与线圈骨架冷缩系数不同造成的线圈微动从而引起超导线圈失超的危险。

此外，通过在Nb₃Sn超导磁体线圈与无磁不锈钢骨架之间设计的陶瓷涂层材料有如下特点：第一、解决了线圈与金属骨架之间的绝缘问题，第二、陶瓷涂层能够耐受Nb₃Sn超导磁体在长时间高温热处理不发生损伤，第三、陶瓷材料的导热性能优异，利于超导线圈的冷却降温，使局部偶然温升得到迅速降低从而保持磁体整体稳定，第四、银导热层与陶瓷涂层的结合使陶瓷涂层更加稳固，抗热震性能提高。

银导热层与固化填充材料的添加都增加了线圈低温下的热导能力，利于保持线圈的稳定运行。

本发明从结构和材料等方面综合考虑，对磁体线圈结构组成进行了设计优化，能够解决Nb₃Sn超导磁体线圈制备技术中遇到的电气绝缘、电磁力、高温热处理、极低温冷却等诸多实际工程问题。

附图说明

图1不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈结构1/2截面示意图；

图2陶瓷绝缘套管结构截面示意图；

图3不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈的临界电流曲线。

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。

图1为本发明不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈结构1/2截面示意图。如图1所示，本发明超导磁体线圈的结构由内至外依次为：线圈骨架、导热层、陶瓷涂层、Nb₃Sn超导线圈和复合绑扎层。线圈骨架采用无磁不锈钢材料制作，由直管状的芯筒和芯筒两端的端板组成；芯筒外表面和端板内侧均有导热层和陶瓷涂层，其中，陶瓷涂层材质氧化铝，采用等离子喷涂工艺制备；导热层材质为银，位于陶瓷涂层与骨架之间；所述的陶瓷涂层外绕制有Nb₃Sn超导线圈，Nb₃Sn超导线圈最外层是复合绑扎层。所述的复合绑扎层为双层结构，其内层为耐高温的无碱玻璃丝布，外层为无磁的不锈钢丝。超导线圈骨架上均匀排布有通孔，在陶瓷涂层和绑扎层之间的超导线圈间隙内充满固化填充材料。所述的固化填充材料为掺有球形陶瓷颗粒的低温聚氨酯改性环氧树脂材料；球形陶瓷颗粒材料为氮化硼或氮化铝，球形陶瓷颗粒直径为50-300微米，球形陶瓷颗粒与低温聚氨酯改性环氧树脂材料的质量比为1:6。

图2为陶瓷绝缘套管结构示意图。陶瓷绝缘套管为近似“T”形的空心圆柱结构，其外圆柱面的台阶为锥形，锥度角α为90度，材料为氧化铝；线圈骨架的端板上有出线孔，也为近似“T”形的圆柱孔，其内孔面的台阶为锥形，其锥度角与陶瓷绝缘套管外圆柱面的锥形台阶的锥度角α相等；陶瓷绝缘套管从线圈骨架的端板内侧插入所述的出线孔中，并通过超导磁体线圈内超导线对陶瓷绝缘套管的轴向挤压力实施对陶瓷绝缘套管的轴向定位，通过陶瓷绝缘套管的外圆柱面的锥形台阶面与线圈骨架端板上出线孔的内孔锥形台阶面两者之间的接触配合对其进行径向定位；Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管的中心孔中穿出线圈骨架，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管起到将Nb₃Sn超导线与线圈骨架隔离定位并保持电绝缘的作用。

实施例1

超导磁体螺线管线圈的导线采用青铜工艺的Nb₃Sn超导线，导线外有无碱玻璃丝布套管绝缘。超导线裸直径0.9mm，绝缘后直径1.05mm。Nb₃Sn线圈内径41mm，外径64mm，长150mm。线圈内有超导线12层，共约1655匝。线圈骨架采用无磁不锈钢材料，线圈骨架由直管状的芯筒和位于芯筒两端的端板组成。芯筒的外表面和端板的内侧均有银材质的导热层和等离子喷涂工艺制备的氧化铝陶瓷涂层；导热层位于陶瓷涂层与骨架之间。陶瓷涂层外绕制Nb₃Sn超导线圈，超导磁体线圈最外面是复合绑扎层，在线圈骨架与复合绑扎层之间的超导磁体线圈间隙内充满固化填充材料。固化填充材料为掺有球形陶瓷颗粒的低温聚氨酯改性环氧树脂材料，球形陶瓷颗粒材料为氮化硼或氮化铝，球形陶瓷颗粒直径为50微米，球形陶瓷颗粒与低温聚氨酯改性环氧树脂材料的质量比为1:6。在本实施例中，超导磁体螺线管线圈的复合绑扎层为双层结构，内层为耐高温的无碱玻璃丝布，外层为无磁的不锈钢丝。超导线圈骨架上均匀排布有通孔，该通孔专门用于Nb₃Sn超导线圈的液态固化填充材料浸渍。通过该通孔，采用真空浸渍方式在所述的陶瓷涂层与复合绑扎层之间的超导磁体线圈的间隙内充满固化填充材料。线圈骨架的端板上开有出线孔。线圈骨架端板出线孔内安装有陶瓷绝缘套管，Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管中经过线圈骨架端板，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管为近似“T”形的空心圆柱结构，其外圆柱面的台阶为锥形，锥度角α为90度，材料为氧化铝；线圈骨架的端板上的出线孔也为近似“T”形的圆柱孔，其内孔面的台阶为锥形，其锥度角与陶瓷绝缘套管外圆柱面的锥形台阶的锥度角α相等；陶瓷绝缘套管从线圈骨架的端板内侧插入所述的出线孔中，并通过超导磁体线圈内超导线对陶瓷绝缘套管的轴向挤压力实施对陶瓷绝缘套管的轴向定位，通过陶瓷绝缘套管的外圆柱面的锥形台阶面与线圈骨架端板上出线孔的内孔锥形台阶面的两者之间的接触配合对其进行径向定位；Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管的中心孔中穿出线圈骨架，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管起到将Nb₃Sn超导线与线圈骨架隔离定位并保持电绝缘的作用。

本发明不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈的常温电阻27Ω，电感0.0367H。将该Nb₃Sn线圈置于4.2K低温环境下，采用四引线法对线圈的临界电流进行了测试。结果如图3所示，该Nb₃Sn线圈在自场条件下的临界电流值达到263A。该Nb₃Sn线圈显示了良好的低温临界特性。

实施例2

制备不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，制备方法、工艺参数与实施例1相同，不同之处仅在于固化填充材料中的球形陶瓷颗粒直径为300微米。将该Nb₃Sn线圈置于4.2K低温环境下测试表明该Nb₃Sn线圈显示了良好的低温临界特性。

实施例3

制备不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，制备方法、工艺参数与实施例1基本相同，不同之处仅在于固化填充材料中的球形陶瓷颗粒直径为150微米。将该Nb₃Sn线圈置于4.2K低温环境下测试表明该Nb₃Sn线圈显示了良好的低温临界特性。

Claims (8)

1.一种不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的Nb₃Sn超导磁体线圈由Nb₃Sn超导线逐匝、逐层地紧密绕制在线圈骨架上组成；所述的超导磁体线圈的骨架采用无磁不锈钢材料制作；所述的线圈骨架由直管状的芯筒和位于芯筒两端的端板组成；所述芯筒的外表面和所述端板的内侧均有导热层和陶瓷涂层；所述的导热层位于陶瓷涂层与骨架之间；所述的陶瓷涂层外绕制有Nb₃Sn超导线圈，所述的Nb₃Sn超导线圈的最外层是复合绑扎层；在所述的陶瓷涂层与复合绑扎层之间的超导磁体线圈的间隙内充满固化填充材料。

2.根据权利要求1所述的不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的线圈骨架的端板上开有出线孔，所述的出线孔内安装有陶瓷绝缘套管，Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管中经过线圈骨架的端板穿出，引向线圈骨架外部。

3.根据权利要求2所述的不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的陶瓷绝缘套管为近似“T”形的空心圆柱结构，其外圆柱面上设有锥形台阶，锥度角α为90度，材料为氧化铝；所述的线圈骨架的端板上的出线孔也为近似“T”形的圆柱孔，其内孔面也设有锥形台阶，其锥度角与陶瓷绝缘套管外圆柱面的锥形台阶的锥度角α相等；陶瓷绝缘套管从线圈骨架的端板内侧插入所述的出线孔中，并通过超导磁体线圈内的超导线对陶瓷绝缘套管的轴向挤压作用实现对陶瓷绝缘套管的轴向定位，通过陶瓷绝缘套管外圆柱面的锥形台阶面与线圈骨架端板上出线孔的内孔锥形台阶面两者之间的接触配合实现对陶瓷绝缘套管的径向定位；Nb₃Sn超导线从陶瓷绝缘套管的中心孔中穿出线圈骨架。

4.根据权利要求1所述的不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的复合绑扎层为双层结构，内层为耐高温的无碱玻璃丝布，外层为无磁的不锈钢丝。

5.根据权利要求1或2所述的不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的线圈骨架上均匀排布有通孔；采用真空浸渍方法通过该通孔填充满固化填充材料。

6.根据权利要求5所述的不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的固化填充材料为掺有球形陶瓷颗粒的低温聚氨酯改性环氧树脂材料。

7.根据权利要求6所述的不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的球形陶瓷颗粒材料为氮化硼或氮化铝，球形陶瓷颗粒直径为50-300微米，球形陶瓷颗粒与低温聚氨酯改性环氧树脂材料的质量比为1:6。

8.根据权利要求1所述的不锈钢骨架Nb₃Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的陶瓷涂层材质为氧化铝；所述的导热层材质为银。

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