CN104685585A - 超导的线圈装置和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种超导的线圈装置和一种用于制造这种线圈装置的方法。超导的线圈装置包括圆柱形的支承体(22)和至少两个由超导的带状导体(1)构成的线圈绕组(W1、W2)。所述超导的带状导体(1)具有双连通的拓扑结构，并且包括在双连通的拓扑结构内的连续的超导层(20)和两个导体分支(2,4)，所述导体分支以两个反向的螺旋绕组形式绕着圆柱形的支承体(22)布置。根据本发明的方法提供一种用于超导的线圈装置的制造方法，所述线圈装置具有圆柱形的支承体(22)和超导的带状导体(1)，所述超导的带状导体包括至少一个支承带(16)和超导层(20)。在这种制造方法中，双连通的拓扑结构的超导的带状导体(1)在安设超导层(20)之前或者之后通过沿着超导的带状导体(1)的纵向(6)方向剪开支承带(16)来被制造，并且所述双连通的拓扑结构的超导的带状导体(1)在反向的螺旋绕组内绕着圆柱形的支承体(22)卷绕。

Description

超导的线圈装置和制造方法
本发明涉及一种超导的线圈装置，具有由超导的带状导体构成的线圈绕组，并且本发明还涉及一种用于这种线圈装置的制造方法。
为了产生更强的、更均匀的磁场使用超导线圈，它在持续短路-模式下工作。例如具有在0.5T至20T之间的磁通密度的均匀磁场用于核磁共振光谱学(NMR-光谱学)和磁共振成像。这种磁场典型地通过外部电路来充电，并且随后与外部电源相隔离，因为在合成的持续短路-模式内通过超导的线圈进行几乎无损失的电流通过。合成的、较强的磁场时间上是特别稳定的，因为它不受外部电路的噪声()所影响。
在使用已知的绕组技术中，一个或多个超导的电线在支承体上被缠绕，其中，不同的电线部段通过具有尽可能小的欧姆电阻的电线连接或者通过超导连接而相互接触。对于典型的低温超导体如NbTi和Nb3Sn，具有在23K以下的跃变温度，为了制造超导接触，存在用于联接电线部段和用于连接绕组与超导的持续电流开关或持续转换器(Dauerstromschalter)的技术。在此，超导的持续电流开关是线圈的电路的一部分，并且为了提供外部电流通过加热转换到欧姆传导状态。在关闭加热装置和降低温度到工作温度之后，线圈的这部分重新成为超导性的。
高温超导体或者高Tc温度超导体(HTS)是具有在25K以上的跃变温度的超导材料，并且在几个材料等级中，例如铜氧化物超导体，在77K以上，其中，能够通过利用其它低温材料如液体氦实现冷却。HTS材料对于制造电磁线圈用于NMR光谱学和磁共振成像是特别有吸引力的，因为一些材料具有高于20T的上限的磁场。通过较高的上限的磁场，HTS材料原则上比低温超导体更适合用于产生高于例如10T的磁场。
在制造HTS电磁线圈时，存在这样一个问题，缺少合适的用于制造超导的HTS连接的技术，尤其对于第二代、所谓的2G-HTS。2G-HTS-电线典型地设为平坦的带状导体的形状。当在超导的带状导体之间加入欧姆接触时，在线圈内的损失不能够再被忽略，并且产生的磁场在几小时或者几天的时间内就会显而易见地下降(参见“IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity”, Vol.12, No.1, March 2002, 476至479页，和“IEEETransactions on Applied Superconductivity”, Vol.18, No.2, June 2008, 953至956页)。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种超导的线圈装置，它可避免所述的缺点。本发明的另一个技术问题是，提供用于线圈装置的制造方法。
所述技术问题通过在权利要求1中所述的线圈装置和通过在权利要求14中所述的方法所解决。
根据本发明的线圈装置包括圆柱形的支承体和至少两个由超导的带状导体构成的线圈绕组。超导的带状导体具有双连通的拓扑结构(zweifachzusammenhangenden Topologie)，并且在双连通的拓扑结构内包括连续的超导层。此外，超导的带状导体包括两个导体分支，它们在两个反向的螺旋绕组内绕着圆柱形的支承体布置。
关于定义“双连通”在几何的拓扑结构内，在此这种定义应该理解为，超导的带状导体具有带有孔的单连通套环或绕圈(Schlaufe)的拓扑结构。“在双连通的拓扑结构内的连续的超导层”应该理解为一种层，它在整个套环上超导的连接，而不存在具有欧姆接触的联接。
根据本发明的线圈装置能够产生较强的、均匀的和在时间上稳定的磁场，因为这种线圈装置基本上能够无损地在持续短路-模式下工作。
根据本发明的方法提供一种用于具有圆柱形的支承体和超导的带状导体的超导线圈装置的制造方法，超导的带状导体包括至少一个支承带和至少一个超导层。在这种制造方法中，通过在安装超导层之前或之后沿着超导的带状导体的长度方向剪开支承带制造双连通的拓扑结构的超导带状导体，并且双连通的拓扑结构的超导的带状导体以反向的螺旋绕组形式绕着圆柱形的支承体缠绕。
通过根据本发明的制造方法可实现，在双连通的拓扑结构内构成连续的超导层，而无需例如通过钎焊过程或者烧结过程的事后联接。
根据本发明的线圈设备的有利结构设计和改进方案有从属于权利要求1的从属权利要求给出。线圈装置能够相关地具有如下特征：
-因此，超导层包括高Tc温度超导体(Hoch-Tc-Supraleiter)。
-高Tc温度超导体能够包括材料REBa2Cu3Ox，其中，RE代表稀土元素(Rare Earch)或者这种元素的混合物。
-高Tc温度超导体能够包括材料MgB2。
-在线圈绕组之间能够安置至少一个电绝缘层。
-电绝缘层和超导的带状导体能够构成共同被预先制造的绕组带。
-超导的带状导体能够基本上平坦地安设在圆柱形的支承体的表面上。
-线圈装置能够包括多个上下重叠的成对的反向的螺旋线绕组。
-超导的带状导体能够包括可加热的区域，该区域与加热设备热接触。在这种可加热的区域内超导的带状导体起到超导开关的作用，这种超导开关通过加热切换为欧姆传导的状态。这种开关能够有利地向线圈装置的超导的其余区域提供电流。
-可加热的区域能够位于螺旋绕组的外部。可加热的区域能够有针对性地不与圆柱形的支承体热接触，因而有利地避免了对螺旋线绕组的超导的其余区域的加热。
-可加热的区域备选地能够构成螺旋绕组的一部分，它相对于圆柱形支承体热绝缘。
-备选于可加热的区域，线圈装置能够包括用于产生局部磁场的设备，该设备能够将超导的带状导体的区域通过局部磁场切换为欧姆传导的状态。
-线圈装置能够包括至少两个用于将线圈与外部电源相连接的触头。
-这两个触头有针对性地安置在线圈的可加热区域的两侧或者安置在用于产生局部磁场的设备的两侧。随后，向线圈的仍超导的区域传输外部电流。
根据本发明的制造方法的有利结构设计和改进方案有从属于权利要求14的从属权利要求给出。所述制造方法还能够具有如下特征：
-双连通的超导的带状导体能够与电绝缘层连接为预先制成的绕组带，并且该绕组带为了制造反向的螺旋线绕组能够被储备辊缠绕。
-在通过被储备棍缠绕制造反向的螺旋线绕组时，储备辊为了制造每个线圈绕组能够穿过超导的带状导体一次。这种方法有利地利用2G-HTS带状导体进行，2G-HTS带状导体对于这种方法能够设计为足够抗扭稳定的。
-能够利用激光或者线切割机剪开单连通的超导带状导体。
下面根据优选的实施例在结合所附的附图的情况下阐述本发明，在附图中：
图1示出双连通的拓扑结构的超导带状导体的示意性俯视图，
图2示出根据在图1中的剖切面II所示的超导的2G-HTS带状导体的示例性横截面，
图3示出超导的线圈装置的示意性侧视图，它使得在实施例中的导体分支的绕组更加明白。
图1示出双连通的拓扑结构的超导带状导体的示意性俯视图，通过剪开单连通的拓扑结构的超导带状导体来制造双连通的拓扑结构的超导带状导体。在这个实施例中，借助激光实现所述剪开。所示的实施例描述用于核磁共振(NMR)-光谱学的线圈装置。在这个示例中，原始单连通的带状导体的长度6是1000m。但是，这种长度还能够更短或更长。在用于形成磁共振的线圈装置中，所述长度能够是这里所述长度的几倍。超导的带状导体包括两个几何尺寸大概相同的导体分支2和4。电流I2流过第一导体分支2，并且电流I4沿着相反的方向流过第二导体分支4，因而封闭的环流流过整体上双连通的超导的带状导体1。原始单连通的带状导体的宽度8在该实施例中是10mm，并且两个导体分支2和4的宽度在被剪开的区域内分别是5mm。但是，根据所使用的带状导体材料，导体分支2和4的这种宽度还能够更大或更小。
图2示出超导的带状导体1的横截面，其中示意性示出2G-HTS的层结构。在这种示例中，将超导的带状导体1与绝缘层10固定连接为绕组带12。绝缘层10在该示例中是50μm厚的聚酰亚胺带，但是绝缘层也能够由其它绝缘材料、例如其它塑料构成。同样的双连通的绕组带12包括两个并排的导体分支2和4，其中，整体的绕组带12利用这些并排的导体分支2和4在在此未示出的储备辊上缠绕，并且通过被储备辊卷起双连通的绕组带12来制造线圈装置。每个导体分支2、4的层结构包括在绝缘层10上紧邻的标准传导的遮盖层14，它在该示例中是20μm厚的铜层。在遮盖层上是支承带16，它在此是50μm厚的由镍-钨合金构成的基层。备选地还能够使用由合金、例如哈斯特洛依合金构成的钢带或带。在支承带16上安置0.5μm厚的缓冲层18，它包含氧化的材料CeO2和Y2O3。在缓冲层上面是实际的超导层20，在此是由YBa2Cu3Ox构成的1μm厚的层，它还被由铜构成的20μm厚的遮盖层14所遮盖。超导层20构成在整个双连通的拓扑结构上连续的层。除了材料YBa2Cu3Ox之外还能够使用其它稀土的相应连接REBa2Cu3Ox。在所示示例中，在每个导体分支2、4内绝缘层10的宽度大约比剩余的超导的带状导体1的宽度更大，因而在线圈装置的绕组中上下重叠邻近的导体分支可靠地相互间绝缘。除了所示的示例，还能够在超导的带状导体1的两侧上安置绝缘层10，或者还能够通过绝缘层保护超导的带状导体1的侧向区域。还可能的是，绝缘层在制造线圈绕组时作为独立的带插入线圈装置中。
图3示出超导的线圈装置的示意性侧视图，它在实施例中明确地示出导体分支2和4的绕组。两个导体分支2和4在相互反向的螺旋绕组中绕着圆柱形的支承体22安置。由在图3中所示的电流箭头I2和I4可以看出，流过带状导体的环流在两个导体分支2和4中同向地绕着圆柱形的支承体22流过，因而利用线圈装置能够产生强大的磁场。圆柱形的支承体22在该示例中是空心圆柱体，其中，在空心圆柱体的内部安置用于光谱学试验的样本的样本体积。在超导的线圈装置工作中整体上超导的带状导体1有针对性地被冷却到在跃变温度之下的温度上，其中，还可将圆柱形的支承体22冷却到非常低的温度。但是，圆柱形的支承体22相对于样本体积是隔绝的，因而要被测量的样本不必被冷却。
在图3中只示例性地示出几个绕组W1，W2，。。。，其中，真实的线圈装置典型地包括很多个这种绕组，在该示例中是5000个绕组。这些绕组还能够设计在多个由反向的螺旋绕组构成的上下重叠的层中。在每个完全的绕组W1、W2。。。内部两个导体分支2和4交叉两次，其中，在该示例中，每个导体分支2和4中的一个总是交替地在另一个上面。利用这种布置能够实现，双连通的绕组带12在由在此未示出的储备辊的块上缠绕，而不必中断用于制造的双连通的拓扑结构，并且无需事后提供超导层的连接。如图3所示，超导的带状导体在绕组W1、W2，。。。的区域内基本上平坦地设在圆柱形的支承体上。
此外，图3还示出两个触头26，利用它们将超导的带状导体1连接在外部电路28上。这种电路28用于，在线圈工作时或者在线圈被充电时通过电源30向线圈装置提供电流。触头26在此设计为能插入的，因而在充电的过程结束后能够拆卸对于电路28的连接。在触头26的空间附近内存在可加热的区域24，在该区域内超导的带状导体与未示出的加热设备存在热接触，因而为了给线圈充电这种区域能够被加热到在跃变温度之上的温度上，并且因此被欧姆式传导。这种布置促使在该区域内形成超导的开关，这种布置能够实现向线圈的进一步超导的区域内提供充电电流。在完成供电后，能够将加热设备关闭，因而超导的带状导体1的整个区域能够重新变为超导性的，并且线圈在持续短路-模式下成为几乎无损失的导体。在所示的示例中能加热的区域24与圆柱形的支承体22相间隔地布置，并且不包含线圈绕组。这能够实现能加热的区域24与被冷却的圆柱形的支承体22之间的良好隔热。但是，能加热的区域24还能够被卷在螺旋绕组内，因而这种区域在持续短路-模式下同样地用于产生磁场。在这种情况下符合目的地是，能加热的区域的绕组绕着单独的支承体布置，该单独的支承体相对于圆柱形的支承体22隔热。

Claims (15)

1.一种超导的线圈装置，包括圆柱形的支承体(22)和至少两个由超导的带状导体(1)构成的线圈绕组(W1、W2)，其特征在于，所述超导的带状导体(1)具有双连通的拓扑结构，包括在双连通的拓扑结构内的连续的超导层(20)，并且还包括两个导体分支(2,4)，所述导体分支以两个反向的螺旋绕组形式绕着圆柱形的支承体(22)布置。
2.根据权利要求1所述的线圈装置，其特征在于，所述超导层(20)包括高Tc温度超导体。
3.根据权利要求2所述的线圈装置，其特征在于，高Tc温度超导体能够包括REBa2Cu3Ox或者MgB2。
4.根据上述权利要求之一所述的线圈装置，其特征在于，在所述线圈绕组(W1、W2)之间安置至少一个电绝缘层(10)。
5.根据权利要求4所述的线圈装置，其特征在于，至少一层电绝缘层(10)和超导的带状导体(1)构成共同被预先制造的绕组带(12)。
6.根据上述权利要求之一所述的线圈装置，其特征在于，所述超导的带状导体(1)基本上平坦地安设在圆柱形的支承体(22)的表面上。
7.根据上述权利要求之一所述的线圈装置，所述线圈装置包括多个上下重叠的成对的反向的螺旋线绕组。
8.根据上述权利要求之一所述的线圈装置，其特征在于，所述超导的带状导体(1)包括可加热的区域(24)，该区域与加热设备热接触。
9.根据权利要求8所述的线圈装置，其特征在于，所述可加热的区域(24)位于螺旋绕组的外部。
10.根据权利要求8所述的线圈装置，其特征在于，所述可加热的区域(24)构成螺旋绕组的一部分，这部分相对于圆柱形支承体(22)隔热。
11.根据权利要求1至7之一所述的线圈装置，所述线圈装置包括用于产生局部磁场的设备，所述设备能够将超导的带状导体(1)的区域通过局部磁场切换为欧姆传导的状态。
12.根据上述权利要求之一所述的线圈装置，所述线圈装置包括至少两个用于将线圈与外部电源(30)相连接的触头(26)。
13.根据权利要求12所述的线圈装置，其特征在于，如果线圈装置如根据权利要求8至11之一所述，则在这种线圈装置中所述触头(26)安置在线圈的可加热区域(24)的两侧或者安置在用于产生局部磁场的设备的两侧。
14.一种用于制造超导的线圈装置的方法，所述线圈装置具有圆柱形的支承体(22)和超导的带状导体(1)，所述超导的带状导体包括至少一个支承带(16)和超导层(20)，其特征在于，双连通的拓扑结构的超导的带状导体(1)通过在安设超导层(20)之前或者之后沿着超导的带状导体(1)的纵向(6)方向剪开支承带(16)来被制造，并且所述双连通的拓扑结构的超导的带状导体(1)在反向的螺旋绕组内绕着圆柱形的支承体(22)卷绕。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述双连通的超导的带状导体(1)与电绝缘层(10)连接为预先制成的绕组带(12)，并且所述绕组带(12)被储备辊缠绕，用于制造反向的螺旋线绕组。
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