CN105655084B

CN105655084B - 一种超导磁体

Info

Publication number: CN105655084B
Application number: CN201610201907.3A
Authority: CN
Inventors: 胡倾宇; 郑杰; 莫耀敏; 段训琪; 任国峰; 黄志龙; 干明明
Original assignee: Ningbo Jansen Nmr Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jianxin Superconducting Technology Co ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: CN105655084A

Abstract

本发明提供了一种超导磁体，其包括：真空容器，所述真空容器内设置有冷屏和超导线圈；所述超导线圈由超导线在线圈骨架上绕制而成，所述超导线圈的两自由端通过超导接头与超导开关连接形成闭合超导回路；所述超导磁体还包括：设置于所述真空容器上的制冷机，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头，所述一级冷头与所述冷屏热连接；其中，所述超导线的材料是临界超导转变温度高于35K的超导材料；所述超导接头由低熔点超导焊料制成，所述超导接头通过所述二级冷头或者冷却介质冷却，确保其处于超导态。相较于现有技术中的低温闭环超导磁体，本发明提供的超导磁体的超导稳定性较高。

Description

一种超导磁体

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，尤其涉及一种闭环运行的超导磁体，该磁体可用于制作核磁共振成像超导磁体、磁选矿超导磁体、污水处理超导磁体、超导储能装置等实用装置。

背景技术

现有的实用型超导磁体，例如核磁共振成像超导磁体，超导线圈一般由铌钛超导线绕制而成，其冷却介质一般采用液氦。铌钛合金属于低温超导材料，其临界超导转变温度为9K左右，而液氦在1大气压下的沸点为4.2K，两个温度相差只有不到5K，很容易由于环境温度发生波动而导致超导线圈失超。

因此，为了提高超导磁体的超导稳定性，需要采用临界超导转变温度较高的超导材料来替代铌钛超导材料来制作超导磁体。然而，目前发现的一些临界超导转变温度较高的超导材料由于各种原因导致其不能应用在超导磁体中。

例如：1986年以来发现的一系列高温超导材料，其临界超导转变温度都远远高于铌钛超导材料的临界超导转变温度，但由于高温超导材料的超导相干长度都很短，工程上很难将超导线的两端直接连接起来，使得所得到的超导接头达到和超导线本身一样的超导性能，因此导致高温超导材料的闭环应用受到限制。

又如：2000年发现的二硼化镁超导材料，其临界超导转变温度为39K，远远高于4.2K，而且二硼化镁原料便宜，导线制造工艺简单，具有极大的应用前景，最有可能替代铌钛超导线。然而，十几年来，由于制作工艺上的难度，直到目前超导接头的性能还是不能达到实际应用的要求，从而限制了该种材料的大规模应用。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了一种新的超导磁体，一方面，可以提高超导磁体的稳定性，另一方面，可以大大扩展高临界温度超导材料的应用范围。

本发明提出将铌钛超导材料换为具有较高临界超导转变温度的材料，由于这些材料的临界超导转变温度较铌钛合金高很多，增加了其与超导磁体运行温度的差值，可以大大提高超导磁体的稳定性。同时，本发明也促进了超导材料的更新换代。

实现这种替代的技术前提是必须制作合格的超导接头，为了达到该目的，本发明采用了如下技术方案：

一种超导磁体，包括：真空容器，所述真空容器内设置有冷屏和超导线圈；

所述超导线圈由超导线绕在线圈骨架上制成，所述超导线圈的两自由端通过超导接头与超导开关连接形成闭合超导回路；

所述超导磁体还包括：设置于所述真空容器上的制冷机，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头，所述一级冷头与所述冷屏热连接；

其中，所述超导线的材料为临界超导转变温度高于35K的超导材料；

所述超导接头由低熔点超导焊料制成，所述超导接头通过所述二级冷头或者冷却介质冷却。

可选地，所述临界超导转变温度高于35K的超导材料为二硼化镁或高温超导材料。

可选地，所述高温超导材料包括钇-钡-铜-氧化合物、铋-铅--锶-钙-铜-氧化合物、铊-钡-钙-铜-氧化合物以及汞-钡-钙-铜-氧化合物。

可选地，所述低熔点超导焊料为伍德合金铅-镉-铋-锡、纯金属铟或铟的合金。

可选地，所述超导接头与所述二级冷头直接热连接，以使所述二级冷头直接冷却所述超导接头，使得超导接头内的焊料处于超导态，同时所述二级冷头通过热传导方式维持所述超导线圈的工作温度处于临界超导转变温度以下。

可选地，所述超导磁体还包括位于所述冷屏内侧的低温容器，所述二级冷头和所述超导线圈设置在所述低温容器内，所述低温容器内包括冷却介质。

可选地，所述冷却介质为氦，所述低温容器内的氦维持在4.2K和1标准大气压的气-液两相系统，该系统维持所述超导线圈工作温度低于35K。

可选地，所述冷却介质为液氦，所述超导开关和超导接头被所述液氦浸没。

可选地，当采用气氦冷却超导线圈时，所述超导开关和超导接头位于低温容器底部并为液氦所浸没。

可选地，所述超导磁体还包括：位于所述冷屏外侧的液氮容器，所述液氮容器内盛放有液氮，所述超导线圈和所述超导开关浸泡在所述液氮容器内的液氮中，所述超导接头与所述二级冷头直接连接。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的超导磁体，其包括超导线圈，该超导线圈上的超导线的两端通过由低温焊料制作成的超导接头焊接在一起，从而形成了闭环超导回路。用于绕制该超导线圈的超导线由临界超导转变温度高于35K的超导材料制成。因此，该超导线圈在低于35K的工作温度下能保持超导载流特性。该超导磁体能达到以下技术效果：(1)当超导磁体的运行温度维持在4.2K时，由于超导材料的临界超导转变温度与磁体运行温度相差较大，较现有技术中的超导磁体，本发明所述超导磁体的超导稳定性较现有技术高，不容易失超；(2)当超导磁体的运行温度维持在较高温度运行时，例如当超导磁体在接近超导材料的临界超导转变温度运行时，由于超导接头连接到二级冷头上，虽然超导接头的焊料是低温超导材料，但仍然处于超导态，可以维持整个超导线圈的闭环超导运行状态。

附图说明

为了更加清楚地理解本发明的具体实施方式，下面将描述本发明具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本发明的部分实施例，本领域技术人员在未付出创造性劳动的前提下还可以获得这些附图的变型方案。

图1是本发明实施例一提供的超导磁体的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的超导闭合回路的三维立体结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的超导磁体的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的超导磁体的结构示意图。

具体实施方式

为了更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和技术效果，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的结构或具有相同或类似功能的结构。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

此外，本发明可以在不同具体实施方式中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

实施例一

图1是本发明实施例提供的超导磁体的结构示意图。如图1所示，该超导磁体包括：真空容器01，该真空容器01内设置有冷屏02和超导线圈30，其中，超导线圈30位于冷屏02的内侧。

冷屏02的作用是减小室温向超导线圈30的辐射漏热。

在本发明实施例中，真空容器01的材料可以为不锈钢，当然，也可以采用除不锈钢以外的其它非磁性材料。另外，真空容器01均可以采用我国相关的压力容器标准进行制造，从而可以有效避免真空容器01的失效，确保超导磁体的正常运行。

此外，在本发明实施例提供的超导磁体中还包括设置于所述真空容器01上的制冷机04，该制冷机04包括一级冷头41和二级冷头42，其中，一级冷头41与冷屏热02连接，二级冷头42位于冷屏02的内侧。

如图1所示，所述超导线圈30由超导线在线圈骨架31上绕制而成，超导线圈30的两自由端通过超导接头32和超导开关33连接形成闭合超导回路03。为了更加清楚地理解本发明实施例的闭合超导回路03，图2示出了形成的闭合超导回路的三维立体结构。如图2所示，其包括：超导线圈30、线圈骨架31、超导接头32和超导开关33，其中，绕制超导线圈30的超导线34的两自由端分别通过超导接头32和32将超导开关33连接起来，形成一个闭合超导回路。

在本发明实施例中，绕制超导线圈30的材料可以为高温超导材料，所谓高温超导材料是具有高临界超导转变温度(T_c)，在液氮温区就可以工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料，即高温超导材料的临界超导转变温度能够达到77K以上。作为示例，高温超导材料可以包括钇-钡-铜-氧化合物、铋-铅--锶-钙-铜-氧化合物、铊-钡-钙-铜-氧化合物以及汞-钡-钙-铜-氧化合物。

在本发明实施例中，超导接头32由低熔点超导焊料制成。更具体地，该低熔点超导焊料可以为伍德合金铅-镉-铋-锡(Pb-Cd-Bi-Sn)、纯金属铟或铟的合金。该由低熔点超导焊料焊接的超导接头32的性能可以达到实际应用的要求。

在本发明实施例中，为了使得超导接头32内的属于低温超导材料的低温焊料处于超导态，如图1所示，超导接头32与二级冷头42直接连接，通过二级冷头42直接冷却超导接头32。而且，因为由高温超导材料制成的超导线34临界超导转变温度较高，可以利用二级冷头42通过超导接头32对超导线圈进行传导冷却，通过传导冷却方式冷却超导线圈，可以使其工作温度控制在70K以下。由于高温超导材料的临界超导转变温度通常在90K以上，70K以下的工作温度低于超导线的临界超导转变温度，能够使得本发明实施例的超导线圈处于超导态，从而维持超导线圈在闭环状态的稳定运行。

以上为本发明实施例一提供的超导磁体的具体结构。在该具体结构中，通过由低熔点超导焊料焊接形成的超导接头32能够将高温超导材料制成的超导线34的两端连接起来，从而使该高温超导材料制成的超导线能够在超导态闭环运行，从而突破了高温超导材料的应用限制，实现了高温超导材料在闭环条件下使用的可能。所以，本发明提供的超导磁体突破了本领域技术人员的高温超导材料高温用，低温超导材料低温用的惯常思维模式，本发明开创了高温超导材料实用化的新时代。

另外，由于高温超导材料应用在低温环境中，其临界超导转变温度与其运行温度的差值较大，可以使导致超导磁体失超的磁通跳跃现象得到有效的抑制，相较于现有技术中的超导磁体，本发明提供的超导磁体的超导稳定性较高。

将高温超导材料用于低温环境，其临界电流密度大幅增加，还可以有效减少绕制磁体所用导线的长度，从而降低磁体的建造成本。

值得指出，本发明实施例提供的超导磁体可以应用在核磁共振成像技术领域，作为核磁共振成像超导磁体使用。另外，本发明实施例提供的超导磁体通过制冷机的二级冷头利用热传导方式来维持超导磁体的低温运行环境，可以免除使用液氦，有利于降低原材料成本及减少对氦资源的依赖。

另外，由于本发明实施例中，由高温超导材料制成的超导线的临界超导转变温度较高，与工作温度相差较大，因此，使用廉价的小型制冷机制冷即可维持超导磁体的低温运行温度，因此，从这一方面来说，本发明提供的超导磁体能够降低硬件成本。

作为本发明实施例的变型，上述所述的高温超导材料可以替换为二硼化镁，当超导线圈的超导线由二硼化镁材料制成时，超导线圈的温度控制在39K以下。

以上为本发明实施例一提供的超导磁体的具体实施方式，在该实施方式中，超导线利用制冷机的二级冷头通过热传导的方式实现冷却。作为本发明实施例的扩展，超导线还可以采用冷却介质如液氮的方式实现冷却，具体参见实施例二。

实施例二

需要说明，实施例二所述的超导磁体与实施例一所述的超导磁体有诸多相似之处，为了简要起见，本发明实施例仅对其不同之处进行详细描述，其相似之处请参见实施例一的相关描述。

图3是本发明实施例二提供的超导磁体的结构示意图。如图3所示，该超导磁体包括：真空容器01、冷屏02、超导线圈30和制冷机04，此外，该超导磁体还可以包括液氮容器05。其中，液氮容器05设置在真空容器01的内侧以及冷屏02的外侧，在液氮容器05内盛放有浸没超导线圈30的液氮。

在本发明实施例中，制冷机04的二级冷头42位于液氮容器外，且直接热连接超导回路03中的超导接头32，因此，该超导接头32通过二级冷头42冷却，使其温度维持在4.2K。超导线圈30位于液氮容器05内，该超导线圈30浸泡在液氮容器内的液氮中，通过液氮冷却使超导线圈30的温度维持在其临界超导转变温度以下。

在本发明实施例中，超导开关33也设置在液氮容器内，并且浸泡在液氮容器内。超导线圈30的两超导线自由端34穿过液氮容器壁与液氮容器05外的超导接头32连接，然后通过超导线将位于液氮容器05内的超导开关33连接起来，形成一个闭合超导回路03。其中，超导线圈30的两超导线自由端34穿过液氮容器壁时通过电绝缘、真空密封材料100实现对液氮容器的密封。

以上为本发明实施例二提供的超导磁体的具体实施方式。在该实施方式中，超导接头与二级冷头直接热连接，通过二级冷头的热传导机制将超导接头的温度维持在4.2K，而超导线圈通过液氮冷却，使其温度维持在临界超导转变温度以下。该实施方式具有与实施例一实施方式相同的效果。目前，每升液氮的价格还不到液氦的百分之一，使用液氮做冷却剂，可以大大降低超导磁体的运行成本，并且没有资源紧缺的问题。此实施例尤其适合应用到储能较大的磁体，例如高温超导储能装置上。

以上为本发明实施例一和实施例二提供的超导磁体的具体实现方式。在该两个具体实施方式中，超导线使用的材料均是高温超导材料。作为本发明的另一实施例，超导线的材料也可以为二硼化镁。具体参见实施例三。

实施例三

需要说明，实施例三所述的超导磁体与实施例一所述的超导磁体有诸多相似之处，为了简要起见，本发明实施例仅对其不同之处进行详细描述，其相似之处请参见实施例一的相关描述。

图4是本发明实施例三提供的超导磁体结构示意图。如图4所示，该超导磁体包括：真空容器01、冷屏02、超导线圈30和制冷机04，此外，还可以包括低温容器06。低温容器06设置在冷屏02的内侧，其中，二级冷头42和所述超导线圈30设置在所述低温容器06内，所述低温容器06内包括冷却介质(图4中未示出)。该冷却介质用于冷却超导线圈30。

需要说明，在本发明实施例中，真空容器01，冷屏02和制冷机04的结构与实施例一中的真空容器01，冷屏02、超导线圈30和制冷机04的结构相同，为了简要起见，在此不再详细描述。另外，在本发明实施例中，二级冷头42与超导闭合回路03上的超导接头32可以不直接连接，当然，两者也可以直接连接在一起。

在本发明实施例中，超导线圈30的结构与上述图2所示的超导线圈的结构基本相同，其不同在于，本发明实施例中，组成超导线圈30的超导线的材料为二硼化镁。由于二硼化镁的临界超导转变温度为39K，为了维持超导线圈处于超导态，本发明提供的超导线圈工作温度应低于39K，为了保证超导稳定性，本发明提供的超导线圈工作温度低于20K。

如此，为了维持二硼化镁处于超导态，进而维持超导线圈低温运行环境的稳定性，本发明实施例可以采用气体氦作为超导磁体的冷却介质。具体地，在低温容器06的底部盛放有一定量的液体氦，与上方气体氦的依靠对流传热处于动态热平衡状态。为了确保超导接头和超导开关处于超导态，将超导接头和超导开关设置在低温容器的底部，并且使得存留在低温容器底部的液体氦能够浸没所述超导接头和超导开关。

由于制成超导线的材料二硼化镁的临界超导转变温度较高(39K)，所以，超导线圈无需浸没在液体氦内，利用气体氦冷却即可使其稳定维持在超导态。所以，在本发明实施例中，液氦无需浸没整个超导线圈，仅浸没超导接头和超导开关即可提供本发明超导磁体的工作环境。所以，从这一方面来说，相较于现有技术中采用液氦冷却超导线圈的方案，本发明提供的超导磁体也能够减少氦的用量，降低超导磁体的成本，有利于超导磁体的普及。

以上为本发明实施例三提供的超导线圈的具体实施方式。在该具体实施方式中，通过由低熔点超导焊料焊接形成的超导接头32能够将二硼化镁制成的超导线圈30的两自由端连接起来，从而使该由二硼化镁制成的超导线能够在超导态闭环运行，为二硼化镁的广泛应用提供了可能。而且制造二硼化镁超导材料的原材料较制造铌钛超导材料的原材料便宜得多，因此，使用二硼化镁制造超导线材可以降低超导磁体的制造成本。

另外，二硼化镁的临界超导转变温度为39K，其临界超导转变温度与其运行温度的差值较大，可以使导致磁体失超的磁通跳跃得到有效的抑制，相较于现有技术中的超导磁体，本发明提供的超导磁体的超导稳定性较高。

本发明实施例三提供的超导磁体也可以应用在核磁共振成像技术领域，作为核磁共振成像超导磁体使用。

此外，作为本发明实施例的变型，也可以采用液氦作为冷却介质来冷却整个超导线圈，此时，液氦浸没整个超导线圈。在这种情况下，可以在整个低温容器内都充满液氦，这时超导接头和超导开关的位置并不是必须放在低温容器的底部，在该具体实施例中，超导接头和超导开关可以位于能够被液氦所浸没的任一位置。

另外，作为本发明实施例三的另一变型，还可以将制作超导线的材料二硼化镁替换为实施例一所述的高温超导材料。这是因为，高温超导材料的临界超导转变温度高于二硼化镁的临界超导转变温度，实施例三提供的超导磁体，其运行低温环境在满足二硼化镁处于超导态的前提下，能够满足高温超导材料处于超导态的条件。因此，作为实施例三的变型，还可以将制作超导线的材料二硼化镁替换为实施例一或实施例二所述的高温超导材料。

需要说明的是，实施例一和实施例三分别以超导线由高温超导材料和二硼化镁为例说明超导磁体的具体实施方式。实际上，在本发明实施例中，用于制成超导线的材料不限于上述所述的高温超导材料和二硼化镁。作为本发明实施例的扩展，只要用于制成超导线的材料中，其临界超导转变温度高于35K均能够实现本发明的发明目的。也就是说，当超导线的材料为临界超导转变温度高于35K的材料时，即可实现本发明的发明目的。

以上为本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种超导磁体，其特征在于，包括：真空容器，所述真空容器内设置有冷屏和超导线圈；所述超导线圈位于所述冷屏的内侧；

所述超导线圈由超导线在线圈骨架上绕制而成，所述超导线圈的两自由端通过超导接头与超导开关连接形成闭合超导回路；

其中，所述超导线的材料是临界超导转变温度高于35K的超导材料；

2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述临界超导转变温度高于35K的超导材料为二硼化镁或高温超导材料。

3.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述高温超导材料包括钇-钡-铜-氧化合物、铋-铅--锶-钙-铜-氧化合物、铊-钡-钙-铜-氧化合物以及汞-钡-钙-铜-氧化合物。

4.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述低熔点超导焊料为伍德合金铅-镉-铋-锡、纯金属铟或铟的合金。

5.根据权利要求1-4任一项所述的超导磁体，其特征在于，所述超导接头与所述二级冷头直接热连接，以使所述二级冷头直接冷却所述超导接头，使得超导接头内的焊料处于超导态，同时所述二级冷头通过热传导方式维持所述超导线圈的工作温度处于临界超导转变温度以下。

6.根据权利要求1-4任一项所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体还包括位于所述冷屏内侧的低温容器，所述二级冷头和所述超导线圈设置在所述低温容器内，所述低温容器内包括冷却介质。

7.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于，所述冷却介质为氦的气-液两相系统，该系统维持所述超导线圈工作温度低于35K。

8.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于，所述冷却介质为液氦，所述超导开关和超导接头被所述液氦浸没。

9.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于，当采用气氦冷却超导线圈时，所述超导开关和超导接头位于低温容器底部并为液氦所浸没。

10.根据权利要求1-4任一项所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体还包括：位于所述冷屏外侧的液氮容器，所述液氮容器内盛放有液氮，所述超导线圈和所述超导开关浸泡在所述液氮容器内的液氮中，所述超导接头与所述二级冷头直接连接。