CN102810378A

CN102810378A - 一种超导磁体及其制作方法

Info

Publication number: CN102810378A
Application number: CN2012102446198A
Authority: CN
Inventors: 胡新宁; 王秋良; 严陆光; 戴银明; 程军胜; 温国强
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102810378B

Abstract

一种超导磁体，包括双饼线圈（1）、超导接头（2）、磁体电流引线（3）、磁场屏蔽管（4）、封装筒（5）、磁体电流引线槽（6）、和环氧孔（10）；多个双饼线圈（1）沿线圈轴向方向紧密连接，双饼线圈（1）之间采用超导接头（2）连接超导带（15），减小发热，通过磁场屏蔽管（4）降低磁体电流引线（3）所处磁场大小来减小磁体电流引线（3）所受电磁力。紧密连接的多个双饼线圈（1）的上端套有圆饼状的磁体端板（9），磁体端板（9）上端的两根磁体电流引线（3）的一端分别套在磁场屏蔽管（4）内。

Description

一种超导磁体及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种超导磁体及其制作方法。

背景技术

随着新型材料和低温技术的不断发展加快了超导技术的应用，超导体独特的物理特性能有着其它材料不可比拟的应用优势，如零电阻效应即无阻载流能力等等。目前高磁场超导磁体系统在物理、化学和生物研究方面有着广泛的应用。传统电磁体难以达到或者需要大量的能量和资源才能达到较高的磁场，而利用超导体的零电阻效应通过多个超导磁体组合可形成较高的磁场。如使用铌钛(NbTi)和铌三锡(Nb₃Sn)材料组成形成的低温超导磁体的磁场最高可达20T左右。高温超导材料由于临界磁场较高，适合制作用于高场磁体中的内插超导磁体，若低温超导磁体内孔中再插入安装高温超导磁体，形成混合超导磁体，可使总磁场达到25T以上。随着超导材料和制作工艺的发展，高温超导磁体的尺寸越来越小，性能越来越稳定。高温超导磁体的研制工艺对获得高磁场仪器设备的应用具有重要影响。

发明内容

为了克服现有超导磁体在高背景磁场下性能不稳定、产生磁场低等缺点，本发明提出一种超导磁体及其制作方法。本发明磁体具有尺寸小、易制作、性能稳定等特点。

本发明超导磁体包括双饼线圈、超导接头、磁体电流引线、磁场屏蔽管、封装筒、磁体端板、磁体电流引线槽，以及环氧孔。

本发明的多个双饼线圈沿线圈轴向方向紧密排列，所述的双饼线圈的数量由所需磁场大小决定。双饼线圈是由超导带绕制在线圈骨架上制成的。所述的线圈骨架为环形金属空心骨架，双饼线圈骨架的一端为线圈骨架的凸出部，另一端为凹入部。双饼线圈的中心孔的孔径大小根据磁体使用需求设定。多个双饼线圈之间连接时，将一个双饼线圈的线圈骨架的凸出部插入另一个双饼线圈的线圈骨架的凹入部，即可使两个双饼线圈紧密配合安装在一起，同理，采取同样办法可使多个双饼线圈紧密连接在一起。

本发明超导接头呈扁带状，其内层为超导材料，如钇钡铜氧材料，其外层包裹铜材料。通过超导焊料，如铋铅锡材料，多个双饼线圈之间采用超导接头将超导带焊接连接，使多个双饼线圈连接起来。所述超导接头的一端焊接在一个双饼线圈的超导带上，超导接头的另一端焊接在另一个双饼线圈的超导带上，通过超导接头使多个双饼线圈的超导带连接起来，同一个双饼线圈内不需要用超导接头连接超导带。

在紧密连接的多个双饼线圈的上端面套有圆饼状的磁体端板，磁体端板开有中心孔。磁体端板中心孔的孔径与双饼线圈中心孔的孔径相等。磁体端板的侧面对称开有2个矩形的磁体电流引线槽。

本发明封装筒为空心薄壁金属圆柱筒，上端开口，封装筒侧下方开有一个环氧孔。连接有磁体端板的多个双饼线圈装入所述的封装筒中，低温环氧树脂通过环氧孔注入封装筒内，待低温环氧树脂从封装筒上端面溢出后，停止注入。烘烤低温环氧树脂使其固化后，形成超导磁体。

两根磁体电流引线分别与超导磁体最上端和最下端的双饼线圈连接。两根磁体电流引线通过磁体端板时，两根磁体电流引线放入磁体电流引线槽内并通过填入低温环氧树脂固化固定磁体电流引线。在磁体端板上部的两根磁体电流引线的一端套入磁场屏蔽管内，此两根磁体电流引线的另一端与电源连接。所述的磁场屏蔽管的材料为铌或者钇钡铜氧材料。通过磁场屏蔽管降低磁体电流引线所处磁场大小来减小磁体电流引线所受电磁力，保证磁体电流引线的无阻载流能力。磁体电流引线由铜线和超导线并联焊接而成。

绕制双饼线圈时，超导带外表面离超导层距离较近的一侧方向朝外，使超导带在焊接过程中减少超导带焊接层的厚度，减小焊接电阻。

本发明绕制双饼线圈的高温超导带具有很高的临界磁场，适合制作内插超导磁体。

本发明通过磁体电流引线和超导接头，使超导磁体无接触电阻和发热，提高超导磁体的通电能力，降低制冷损耗，通过环氧孔向封装筒内注入低温环氧树脂，保证超导磁体在较高电磁应力下的稳定性。

本发明超导磁体制作方法步骤如下：

1）以超导带的中点为起点将超导带分为两段，一段超导带在双饼线圈骨架上由内到外顺时针缠绕，另一段超导带在双饼线圈骨架上由内到外逆时针缠绕，绕制时超导带外表面离超导层距离近的一侧方向朝外，绕制到所需的线圈匝数后即形成一个双饼线圈；将双饼线圈线圈骨架的凸出部插入另一个双饼线圈线圈骨架的凹入部，使多个双饼线圈紧密配合安装在一起;圆饼型的磁体端板套在多个连接在一起的双饼线圈的最上端;

2）多个双饼线圈之间采用超导接头通过超导焊料焊接超导带，使多个双饼线圈连接起来；两根磁体电流引线分别与超导磁体最上端和最下端的双饼线圈通过超导焊料焊接连接；两根磁体电流引线通过在磁体端板侧面的两个对称的磁体电流引线槽引出，在磁体电流引线槽内的磁体电流引线通过低温环氧树脂固化固定。

3）将完成所述步骤2）的多个双饼线圈装入封装筒中，将低温环氧树脂通过环氧孔注入封装筒，待低温环氧树脂从封装筒上端面溢出后，停止注入；待低温环氧树脂烘烤固化后，形成超导磁体。

本发明超导磁体内插在其他超导磁体的内孔中形成可产生25T以上高磁场的复合超导磁体系统。

附图说明

图1超导磁体结构示意图，图中：1双饼线圈、2超导接头、3磁体电流引线、4磁场屏蔽管、5封装筒、6磁体电流引线槽、7双饼线圈中心孔、8磁体端板中心孔、9磁体端板、10环氧孔、超导磁体11；

图2双饼线圈结构示意图，图中：12双饼线圈骨架、13线圈骨架的凸出部、14线圈骨架的凹入部、15超导带；

图3超导带截面结构示意图，图中：16金属层、17超导层、18基质层、绝缘层19；

图4是超导磁体立体外观图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明超导磁体11包括双饼线圈1、超导接头2、磁体电流引线3、磁场屏蔽管4、封装筒5、磁体电流引线槽6、磁体端板9以及环氧孔10。多个双饼线圈1沿线圈轴向方向紧密排列，双饼线圈1的数量由所需磁场大小决定。多个连接在一起的双饼线圈1的最上端套有圆饼型的磁体端板9。磁体端板中心孔8与双饼线圈中心孔7的孔径相等。磁体端板9侧面对称开有2个矩形的磁体电流引线槽6。多个双饼线圈1之间采用超导接头2连接超导带15。超导接头2呈扁带状，其内层为超导材料，如钇钡铜氧材料，外层包裹铜材料。超导接头2通过超导焊料焊接，如铋铅锡材料。两根磁体电流引3线通过在磁体端板9侧面的两个对称的矩形的磁体电流引线槽6引出，在磁体电流引线槽6内的磁体电流引线3通过低温环氧树脂固化固定磁体电流引线3。在磁体端板9上端的两根磁体电流引线3的一端分别套在磁场屏蔽管4内，两根磁体电流引线3的另一端与直流电源连接。通过端板9上的磁体电流引线孔6固定引出两根磁体电流引线3，两根磁体电流引线3的一端套在磁场屏蔽管4中，磁场屏蔽管4的材料为铌钛或者钇钡铜氧材料。通过磁场屏蔽管4降低磁体电流引线3所处磁场大小来减小磁体电流引线3所受电磁力。封装筒5为空心薄壁金属圆柱筒，上端开口，封装筒5的侧下方开有一个环氧孔10。连接起来的多个双饼线圈1装入封装筒5中。低温环氧树脂通过环氧孔10注入封装筒5内，待低温环氧树脂从封装筒5上端面溢出后，停止注入。低温环氧树脂烘烤固化后形成超导磁体11。

如图2所示，绕制双饼线圈1的超导带15为扁带形的高温超导带材，如铋系高温超导带材或钇钡铜氧超导带材。根据设计要求截取一定长度的超导带15，以超导带15中点为起点将超导带分为两段，一段超导带15在双饼线圈骨架12上由内到外瞬时针缠绕，另一段超导带15在双饼线圈骨架12上由内到外逆时针缠绕，绕制过程中超导带15外表面离超导层17距离近的一侧方向朝外，这样在超导带15焊接过程中可以减少超导带15焊接层的厚度，减小焊接电阻。绕制到要求的线圈匝数后即形成一个双饼线圈1；双饼线圈骨架12为环形金属骨架，双饼线圈骨架12的一端为线圈骨架的凸出部13，另一端为线圈骨架的凹入部14，双饼线圈1之间连接时，将一个双饼线圈1的线圈骨架的凸出部13插入另一个双饼线圈1的线圈骨架的凹入部14，即可使两个双饼线圈1紧密配合安装在一起，同理，采取同样办法可使多个双饼线圈1紧密连接在一起。

如图3所示，位于超导带15截面最外层两端为绝缘层19，绝缘层19内测为金属层16，在中间位置较薄的超导层17和较厚的基质层18。金属层16材料一般为铜和银，超导层17材料为钇钡铜氧合金材料，基质层18为哈氏合金材料。

如图4所示，通过带有磁场屏蔽管4的磁体电流引线3和超导接头2，使超导磁体11无接触电阻和发热，提高超导磁体11的通电能力，降低制冷损耗；通过环氧孔10向封装筒5内注入低温环氧树脂，以及将磁体电流引线3引出端放入到磁体电流引线槽6内并用低温环氧树脂填充加固，保证超导磁体11在较高电磁应力下的稳定性。

超导磁体制作方法步骤如下：

本发明超导磁体制作方法步骤如下：

1）截取一定长度的超导带15，以超导带15中点为起点将超导带分为两段，一段超导带在双饼线圈骨架12上由内到外瞬时针缠绕，另一段超导带在双饼线圈骨架12上由内到外逆时针缠绕，绕制过程中超导带15外表面离超导层17距离近的一侧方向朝外，绕制到要求的线圈匝数后即形成一个双饼线圈1；

2）双饼线圈骨架12的一端为线圈骨架凸出部13，另一端为线圈骨架凹入部14，将双饼线圈1的线圈骨架凸出部13插入另一个双饼线圈1的线圈骨架凹入部14，使多个双饼线圈1紧密配合安装在一起。将圆饼型的磁体端板9套在多个连接在一起的双饼线圈1的最上端；多个双饼线圈1之间采用超导接头2通过超导焊料焊接超导带15，使多个双饼线圈连接起来；两根磁体电流引线3分别与超导磁体11最上端和最下端的双饼线圈1通过超导焊料焊接连接；两根磁体电流引线3通过在磁体端板9侧面的两个对称的磁体电流引线槽6引出，在磁体电流引线槽6内的磁体电流引线3通过低温环氧树脂固化固定；

3）将完成所述步骤2）的连接有磁体端板9的多个双饼线圈1装入封装筒5中，将低温环氧树脂通过环氧孔10注入封装筒5，待低温环氧树脂从封装筒5上端面溢出后，停止注入；待低温环氧树脂烘烤固化后，形成超导磁体11。

Claims

1.一种超导磁体，其特征在于所述的超导磁体（11）包括双饼线圈（1）、超导接头（2）、磁体电流引线（3）、磁场屏蔽管（4）、封装筒（5）、磁体电流引线槽（6）、磁体端板（9）、环氧孔（10）；双饼线圈（1）之间沿线圈轴向方向紧密排列，双饼线圈（1）之间通过扁带状的超导接头（2）采用超导焊料将超导带（15）焊接连接；两根磁体电流引线（3）分别与超导磁体（11）最上端和最下端的双饼线圈（1）通过超导焊料焊接连接；两根磁体电流引线（3）引出时放入磁体端板（9）侧面上的磁体电流引线槽（6）内固定；两根磁体电流引线（3）的一端套入磁场屏蔽管（4）中；封装筒（5）为空心薄壁金属圆柱筒，上端开口，封装筒（5）侧下方开有一个环氧孔（10）；将连接起来的多个双饼线圈（1）装入封装筒（5）中，通过环氧孔（10）将低温环氧树脂注入封装筒（5）。

2.按照权利要求1所述的超导磁体，其特征在于所述的超导磁体制作方法步骤如下：

1）以超导带（15）中点为起点将超导带（15）分为两段，一段超导带（15）在双饼线圈骨架（12）上由内到外瞬时针缠绕，另一段超导带（15）在双饼线圈骨架（12）上由内到外逆时针缠绕，绕制过程中超导带（15）外表面离超导层（17）距离近的一侧方向朝外，绕制到要求的线圈匝数后即形成一个双饼线圈（1）；将双饼线圈（1）线圈骨架的凸出部（13）插入另一个双饼线圈（1）线圈骨架的凹入部（14），使多个双饼线圈（1）紧密配合安装在一起；圆饼型的磁体端板（9）套在多个连接在一起的双饼线圈（1）的最上端；

2）多个双饼线圈（1）之间采用超导接头（2）通过超导焊料焊接超导带（15），使多个双饼线圈连接起来；两根磁体电流引线（3）分别与超导磁体（11）最上端和最下端的双饼线圈（1）通过超导焊料焊接连接；两根磁体电流引线（3）通过位于磁体端板（9）侧面的两个对称的磁体电流引线槽（6）引出，并用低温环氧树脂固定在磁体电流引线槽（6）内；

3）将完成所述步骤2）的多个双饼线圈（1）装入封装筒（5）中，将低温环氧树脂通过环氧孔（10）注入封装筒（5），待低温环氧树脂从封装筒（5）上端面溢出后，停止注入；烘烤低温环氧树脂待其固化后，形成超导磁体（11）。