CN103794297B - 适用于高场超导磁体技术的高温超导导体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，包括有高温超导带组件、稳定铜基材、不锈钢结构增强层、液态气体冷却孔、超导带组件固定层和导体绝缘结构。本发明能够在满足液氦以上温区大电流稳定传输的前提下，实现多层高温超导带的叠加绕制成型；同时，可以满足高温超导体在运行时的低温冷却、结构强度和失超安全卸载等要求，其特殊结构特点可以保证高温导体在失超等故障情况下电流的安全泄放，最终可以作为装配导体运用于高温超导磁体。

Description

适用于高场超导磁体技术的高温超导导体结构
技术领域
本发明属于高温超导体领域，具体涉及一种适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构。
背景技术
高温超导体通常是指在液氮温度（77K）以上超导的材料。自从1911年海克·卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)发现4K汞具有低温超导特性至1986年柏诺兹和缪勒发现了35K超导的鑭钡铜氧体系，超导材料不断发展和取得突破。1987年美籍华人吴茂昆等宣布了90K钇钡铜氧超导体的发现，第一次实现了液氮温度（77K）这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。
相对于液氦温度下（4.5K）运行的低温超导材料（Nb3Sn、NbTi等），高温超导体的运行温度大大提高，不仅可以大大节约能量，而且可以提供更高更稳定的强磁场。同时，从经济角度，高温超导体在减小超导磁体装置尺寸以及提高能量使用效率方面优势明显。然而，目前的聚变试验装置几乎都采用低温超导磁体，要求在液氦温度下运行。高温超导体没有得到大规模的运用，其主要原因之一是其陶瓷型材料结构导致其在导体成型过程中遇到很大困难。在高温超导关键应用领域的发展过程中，导体结构的设计和关键技术发展始终属于核心技术之一。超导磁体装置实际运用的超导导体结构需要同时满足低温冷却、结构强度和失超安全卸载等诸多条件，尽管高温超导材料技术取得了长足的发展和进步（特别是具有使用价值的高温超导带材研发成功），但其在多股带材的导体成型工艺技术领域发展较为滞后。因此，优质的高温超导导体结构的设计，成为下一步高温超导磁体技术得到广泛运用的关键，对于提高未来高温超导技术在诸如高能粒子加速器、热核聚变、航天、高功率脉冲电源（军用）以及医学核磁共振(MRI)等重要科学和技术领域的发展有着重要意义。
发明内容
本发明的目的是提出了一种适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，能够满足高电流稳定运行的前提下，有效保证导体的冷却效果，实现液氦以上温区大电流稳定传输和复杂超导磁体线圈结构的顺利成型，同时，其特殊结构特点可以保证高温导体在失超等故障情况下电流的安全泄放。
本发明的技术方案如下：
一种适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：包括有两个对称设置的不锈钢结构增强层，两个不锈钢结构增强层的上或下端面上对称设有两个卡槽，两个不锈钢结构增强层的下或上端面上设有条形槽，两个不锈钢结构增强层对称装配后两个条形槽构成液态气体冷却孔，两个不锈钢结构增强层的设有卡槽的端面上分别卡设有稳定铜基材，稳定铜基材的其中一个端面上设有与卡槽相配合的凸起，稳定铜基材的另一个端面上设有数个导体嵌入槽，各个导体嵌入槽中置有高温超导带组件，高温超导带组件上设有超导带组件固定层；在以上部件构成的整体结构的四周加工导体绝缘结构。
所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：所述的高温超导带组件为多层高温超导带进行分层叠加构成的，各高温超导带分层叠加放置导体嵌入槽中。
所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：由于高温超导带具有各项异性，根据实际情况加工导体嵌入槽的形状，以保证高温超导带可以沿窄边或者宽边灵活放置于导体嵌入槽内；导体嵌入槽在稳定铜基材上通过机加工成型，其槽深和槽宽可根据高温超导带的尺寸进行灵活设计。
所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：所述的高温超导带分层叠加放置导体嵌入槽之后，在高温超导带组件的顶面注入由环氧绝缘胶为成分的超导带组件固定层，环氧绝缘胶的厚度以覆盖满导体嵌入槽为标准，起到固定超导带材组件的作用；最后在所有部件装配完成之后，在高温超导导体结构表面采用湿包绕工艺方法加工导体绝缘结构，以起到导体整体绝缘作用。
所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：根据高温超导磁体线圈的外形特点，稳定铜基材和不锈钢结构增强层沿导体轴向可以分别由多段相同独立结构焊接成为一个整体结构。
所述的高温超导导体结构外形可以根据实际待成型的磁体的形状，加工成规则的长杆型、圆型或者圆弧形等不同形状。
本发明的有益效果在于：
本发明主要实现液氦以上温区大电流稳定传输的高温超导导体结构，可以同时满足高温超导体的低温冷却、结构强度和失超安全卸载等诸多条件；其中导体嵌入槽结构，可以避免陶瓷型高温超导材料成型过程中由于材料脆性导致的性能衰减，实现多层高温超导带的顺利成型；其中不锈钢+铜复合基材结构可以有效保证结构强度和实现在失超等故障情况下电流的安全泄放；本发明对于高温超导磁体技术的实际运用和发展的有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明高温超导导体结构剖面示意图。
图2为由多个本发明高温超导导体组合成磁体线圈的剖面示意图。
图3为本发明高温超导导体结构三维示意图。
图4为本发明高温超导导体结构主要部件三维示意图。
图5为本发明的稳定铜基材和导体嵌入槽示意图。
图6为本发明的不锈钢结构增强层和液态气体冷却孔示意图。
具体实施方式
参见附图1-6。图中标号：1－高温超导带组件，2－稳定铜基材，3－不锈钢结构增强层，4－液态气体冷却孔，5－超导带组件固定层，6－导体绝缘结构，7－导体嵌入槽，8－卡槽结构。
一种适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其结构主要由高温超导带组件1、稳定铜基材2、不锈钢结构增强层3、液态气体冷却孔4、超导带组件固定层5和导体绝缘结构6组成。高温超导带1放置于导体嵌入槽7内，分布于导体结构的上下表面；导体嵌入槽7主要在稳定铜基材2上通过机加工成型，其槽深和槽宽应严格按照高温超导带组件1的尺寸进行设计。稳定铜基材2和不锈钢结构增强层3之间通过卡槽结构8进行装配。导体结构的中心液态气体冷却孔4可以对高温超导带组件1进行冷却。
首先，通过卡槽结构8将稳定铜基材2和不锈钢结构增强层3相互定位，然后沿轴向方向在稳定铜基材2和不锈钢结构增强层3的接触面边缘进行点焊组装成组件。最后进一步通过焊接将上下对称相同的组件装配成整体结构。
其次，在根据高温超导带组件1的尺寸在稳定铜基材2加工成型的导体嵌入槽7内分多层叠加放置高温超导带。进一步在高温超导带组件1的顶面注入由环氧绝缘胶为成分的超导带组件固定层5，环氧绝缘胶的厚度以覆盖满导体嵌入槽7为标准，起到固定超导带材组件1的作用。
最后，在上述的高温超导带组件1、稳定铜基材2、不锈钢结构增强层3、液态气体冷却孔4、超导带组件固定层5和导体嵌入槽7相互装配完成以后，在高温超导导体结构表面采用湿包绕工艺方法加工导体绝缘结构6，以起到导体整体绝缘作用。

Claims (5)

1.一种适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：包括有两个对称设置的不锈钢结构增强层，两个不锈钢结构增强层的上或下端面上设有卡槽，每个不锈钢结构增强层设有两个卡槽，两个不锈钢结构增强层的下或上端面上设有条形槽，两个不锈钢结构增强层对称装配后两个条形槽构成液态气体冷却孔，两个不锈钢结构增强层的设有卡槽的端面上分别卡设有稳定铜基材，稳定铜基材的其中一个端面上设有与卡槽相配合的凸起，稳定铜基材的另一个端面上设有数个导体嵌入槽，各个导体嵌入槽中置有高温超导带组件，高温超导带组件上设有超导带组件固定层；在以上部件构成的整体结构的四周加工导体绝缘结构。
2.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：所述的高温超导带组件为多层高温超导带进行分层叠加构成的，各高温超导带分层叠加放置导体嵌入槽中。
3.根据权利要求1或2所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：由于高温超导带具有各项异性，根据实际情况加工导体嵌入槽的形状，以保证高温超导带沿窄边或者宽边放置于导体嵌入槽内；导体嵌入槽在稳定铜基材上通过机加工成型，其槽深和槽宽根据高温超导带的尺寸进行设计。
4.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：根据高温超导磁体线圈的外形特点，稳定铜基材和不锈钢结构增强层沿导体轴向分别由多段相同独立结构焊接成为一个整体结构。
5.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁体技术的高温超导导体结构，其特征在于：所述的高温超导导体结构外形根据实际待成型的磁体的形状，加工成规则的长杆型、圆型或者圆弧形。
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