CN102820116B - 一种高温超导薄膜磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于超导电工学技术领域的一种高温超导薄膜磁体。它是以高温超导薄膜为基本单元，通过在每层薄膜上刻蚀纹路和预设电极控制电流流动方向，通过层与层之间的电学连接构成大磁体，层与层之间可以并联也可以串联。 它具有电流密度大，可在狭小空间产生磁场，可产生复杂形态磁场，可以快速励的特点，是对传统基于导线绕制成型磁体的一种很好补充。
Description
技术领域
本发明属于超导电工学技术领域，涉及一种高温超导薄膜磁体。
背景技术
超导磁体从狭义上可定义为以产生背景磁场为目的超导线圈绕组。从广义上可定义为任何利用导线绕制成以提供安培匝数为目的的线圈绕组。磁体绕组根据外围设备，和使用条件的不同，可构造出各类超导器件。如纯粹提供背景磁场用的超导磁体。除此之外，还有超导限流器，超导储能器，超导电机，超导磁分离器，超导感应加热器。这些超导器件的核心部件都是高温超导绕组。
传统超导磁体都是由超导导线围绕一固定轴绕制而成的。当导线通以电流，在空间会产生磁场。这种由导线绕制磁体的技术随着低温超导工业的发展，已经发展了近60年的时间，已经成功应用于医用核磁成像（MRI），大型高能粒子对撞机等设备。1987 年以YBa2Cu3O7-x为代表的一类氧化物超导材料发现以来，高温超导产业也得到迅速的发展，目前Bi2Sr2Ca2Cu3Ox/Ag(Bi2223/Ag)高温超导线已经实现了产业化，以YBa2Cu3O7-x(YBCO)高温超导导线已经实现了实验室规模产业化。利用这些高温超导导线绕制磁体基本上沿用了传统思路。
但是利用高温超导绕制磁体存在几个问题：第一高温超导属于一种氧化物陶瓷材料，材料本质上易发生断裂，所以超导磁体腔体内径不能很小，如利用Bi2223/Ag多芯超导导线绕制的磁体，通常磁体内腔半径不能小于半径2.5cm，如果小于这个值，带材的载流性能会出现明显下降。所以利用高温超导导线绕制的磁体，体积不能很小。第二，由于高温超导导线比较脆弱，带材在空间中也并不能随意弯曲，无法构成比较复杂的绕组结构，导致高温超导磁体所产生磁体的形态比较单一。 第三，作为利用导线绕制磁体的共同特点就是磁体电感比较大，一般电感会随着绕组匝数平方成正比，作为直流磁体绕组，电感大小并无大碍，但是如果是需要瞬态励磁，退磁的磁体，和需要交流运行的磁体，大电感会直接造成感抗较大，限制励磁速度和退磁速度。
真对利用导线绕制高温超导磁体的一些不足，我们提出了一种全新的基于高温超导薄膜材料的高温超导磁体结构。 这种磁体的基本单元不再超导导线，而是一片片的高温超导薄膜，薄膜上预先包覆有电极，并刻蚀纹路，引导电流流动方向，薄膜可以单独使用，也可以多片超导薄膜通过叠放，电极之间相互连通形成一个大磁体。这种磁体内腔尺寸不受材料性能限制，可以极小，同时利用超导薄膜电流密度很高的特点，可在狭小空间产生大磁场。同时这种磁体匝数很少，电感很小，非常适合快速励磁和退磁。利用先进的光刻技术，还可以在薄膜上刻蚀复杂的电路，形成复杂的电流流动方向，进而形成复杂的磁场分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温超导薄膜磁体。
一种高温超导薄膜磁体，超导薄膜1的中部设有孔洞2，超导薄膜1沿着半径方向设有狭缝3，狭缝3两侧分别设置正极5和负极6，2个以上超导薄膜1以串联方式或并联方式连接；
或者，超导薄膜1刻蚀螺旋线，在螺旋线的最内侧和最外侧分别设置电极，2个以上超导薄膜1以串联方式或并联方式连接。
所述超导薄膜1为圆形或方形。
所述超导薄膜1的中部不设孔洞。
所述串联方式为：第一层超导薄膜的负极连接第二层超导薄膜正极，第二层超导薄膜负极连接第三层超导薄膜正极，以此类推。
所述并联方式为：各层超导薄膜的正极相连，各层超导薄膜的负极相连。
每层超导薄膜1的电极包覆于一个高电导率金属块内，通过金属块之间的焊接实现超导薄膜1之间的电导通。
超导薄膜1整体嵌入高电导率金属块内，金属块与超导薄膜1刻有同样的纹路。
所述超导薄膜1的材料为YBa2Cu3O7-x。
本发明的有益效果：本发明以高温超导薄膜为基本单元，通过在每层薄膜上刻蚀纹路和预设电极控制电流流动方向，通过层与层之间的电学连接构成。本发明的高温超导薄膜磁体具有电流密度大，可在狭小空间产生磁场，可产生复杂形态磁场，可以快速励磁的特点，是对传统基于导线绕制成型磁体的一种很好补充。
附图说明
图1 为本发明高温超导薄膜磁体结构示意图；
图2 为方形高温超导薄膜刻蚀螺旋线和预设电极示意图；
图3 为超导薄膜电极处包覆高电导率金属块，作为层与层电流导通通路示意图；
图4 为整体包覆高电导率金属块的高温超导薄膜示意图；
图5 为一个含有6层高温超导薄膜的磁体，在每层通流2000安培情况下，磁场分布示意图。
图中，1-超导薄膜、2-孔洞、3-狭缝、4为电流流动方向、5-第一层超导薄膜电流正极、6-第一层超导薄膜电流负极、7-第二层超导薄膜电流正极、8-第二层超导薄膜电流负极、9-第三层超导薄膜电流正极、10-第三层超导薄膜电流负极、11-顺时针刻蚀螺旋线超导薄膜电流正极、12-顺时针刻蚀螺旋线超导薄膜电流负极、13-逆时针刻蚀螺旋线超导薄膜电流正极、14-逆时针刻蚀螺旋线超导薄膜负极、15-高电导率金属块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
以下实施例超导薄膜材料选用YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜，该薄膜为双层超导薄膜，正反面均涂覆有YBCO高温超导材料。该薄膜生产工艺是在铝酸镧单晶基底上，利用溶胶凝胶方法涂覆上YBCO超导材料，经过热处理后形成最终的超导薄膜。在超导薄膜最上方，通过真空方法溅射了一层银层，作为保护层和，也作为电极焊接层。 薄膜为圆形薄膜，直径5厘米, 总体厚度0.5毫米，其中超导层厚度1微米。 经过前期测试该薄膜临界电流密度达到2.5MA/cm2。
高电导率材料选用铜，铜块厚度t=5 mm，宽度w=10 mm, 其中在超导薄膜处延伸的长度w1=8 mm。铜块之间用锡焊连接，最上层电极通以2000A电流。
实施例1
一种高温超导薄膜磁体，如图1所示，超导薄膜1的中部设有孔洞2，超导薄膜1沿着半径方向设有狭缝3，狭缝3两侧分别设置正极5和负极6，第一层超导薄膜负极6连接第二层超导薄膜正极7，第二层超导薄膜负极8连接第三层超导薄膜正极9；当电极通流时，会产生如4所示的环形电流，电流由负极10流出。每层超导薄膜1的电极包覆于一个高电导率金属块15内，通过金属块之间的焊接实现超导薄膜1之间的电导通（如图3和图4所示）。
高温超导薄膜磁体在空间产生磁场等高线分布图如图5所示，由于对称关系，仅1/4区域显示。
实施例2
一种高温超导薄膜磁体，超导薄膜沿着半径方向设有狭缝，狭缝两侧分别设置正极和负极，正极依次相连，负极依次相连。当电极通流时，会产生环形电流。每层超导薄膜的电极包覆于一个高电导率金属块内，通过金属块之间的焊接实现超导薄膜之间的电导通。
实施例3
一种高温超导薄膜磁体，如图2所示，超导薄膜1刻蚀螺旋线，在螺旋线的最内侧和最外侧分别设置电极，3个超导薄膜1以串联方式连接，临近两片超导薄膜1的螺纹刻蚀方向相反。超导薄膜1整体嵌入高电导率金属块内，金属块与超导薄膜1刻有同样的纹路。第一层超导薄膜电流由正极11流入，由负极12流出，同时负极12连接第二层超导薄膜的正极13，电流由负极14流出。每层超导薄膜的电极包覆于一个高电导率金属块内，通过金属块之间的焊接实现超导薄膜之间的电导通。
实施例4
一种高温超导薄膜磁体，如图2所示，超导薄膜1刻蚀螺旋线，在螺旋线的最内侧和最外侧分别设置电极，3个超导薄膜1以并联方式连接，所有正极相连，所有负极相连，所有超导薄膜1螺纹刻蚀方向是同向的。每层超导薄膜的电极包覆于一个高电导率金属块内，通过金属块之间的焊接实现超导薄膜之间的电导通。
Claims (2)
1.一种高温超导薄膜磁体，所述超导薄膜(1)沿着半径方向设有狭缝(3)，狭缝(3)两侧分别设置正极(5)和负极(6)，2个以上超导薄膜(1)以串联方式或并联方式连接；其特征在于，每层超导薄膜(1)的电极包覆于一个高电导率金属块内，通过金属块之间的焊接实现超导薄膜(1)之间的电导通；金属块与超导薄膜(1)刻有同样的纹路；超导薄膜(1)的中部设有孔洞(2)或中部不设孔洞；或在超导薄膜(1)上刻蚀螺旋线，在螺旋线的最内侧和最外侧分别设置电极，2个以上超导薄膜(1)以串联方式或并联方式连接。
2.一种高温超导薄膜磁体，其特征在于，超导薄膜(1)的中部设有孔洞(2)，超导薄膜(1)沿着半径方向设有狭缝(3)，狭缝(3)两侧分别设置正极(5)和负极(6)，第一层超导薄膜负极(6)连接第二层超导薄膜正极(7)，第二层超导薄膜负极(8)连接第三层超导薄膜正极(9)；每层超导薄膜(1)的电极包覆于一个高电导率金属块(15)内，通过金属块之间的焊接实现超导薄膜(1)之间的电导通；其中，超导薄膜材料选用YBa2Cu3O7-x即YBCO薄膜，该薄膜为双层超导薄膜，正反面均涂覆有YBCO高温超导材料，该薄膜生产工艺是在铝酸镧单晶基底上，利用溶胶凝胶方法涂覆上YBCO超导材料，经过热处理后形成最终的超导薄膜；在超导薄膜最上方，通过真空方法溅射了一层银层，作为保护层和电极焊接层；薄膜为圆形薄膜，直径5厘米,总体厚度0.5毫米，其中超导层厚度1微米；经过前期测试该薄膜临界电流密度达到2.5MA/cm2；高电导率材料选用铜，铜块厚度t＝5mm，宽度w＝10mm,其中在超导薄膜处延伸的长度w1＝8mm，铜块之间用锡焊连接，最上层电极通以2000A电流。
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