CN106298149B - 一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体及制备 - Google Patents
一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体及制备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于超导磁体应用领域，特别涉及一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体及制备。超导磁体由超导面被切割成螺旋带状结构的超导片和兼有绝缘和冷却作用的导冷片依次叠加而成，叠加完成后的磁体呈圆柱体型。导冷片采用铜，上下表面涂有绝缘漆，其连接头与制冷机冷头相连，通过制冷机冷却导冷片为磁体提供稳定的低温环境。该磁体操作简便，效率高，成本低，同时磁体运行的温度可连续调节。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体应用领域，特别涉及一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体及制备。
背景技术
近几十年来，超导磁体技术发展迅速，在医疗器械、能源、工业、交通运输、电力工业和国防等领域得到了广泛应用。超导磁体的经济性和运行特性都胜过常规磁体，并且在有些情况下，必须使用超导磁体。超导磁体的电流密度比常规磁体高，体积也更紧凑；可以在一定空间达到很高的磁场梯度；能提供常规磁体所无法达到的磁场稳定性。随着高温超导生产技术的发展，具有高电流密度的ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层导体的制备技术得到提高，这进一步促进了超导磁体的发展。因此，超导磁体在一些领域取代了或正在取代常规磁体，并且还开辟了常规磁体无法实现的新领域。
超导磁体的运行需要稳定的低温环境来克服系统运行产生的热量。目前，超导磁体运行的低温环境主要有三种方式，分别是低温液体浸泡冷却、再冷凝式冷却和制冷机传导冷却。其中，液体浸泡冷却主要用液氦(4.2K)或液氮(77K)作为浸泡介质，但这种方式需要专业的运输和充罐操作，增加了系统应用的复杂性，并且受到国际氦资源限产等因素的影响，液氦价格持续上涨，使系统应用成本增加。为了消除上述障碍，早在1983年Hoenig就提出了不用液氦，而用制冷机直接冷却超导磁体的设想。随着小型制冷机技术的突破和高温超导电流引线的出现，近十来年传导冷却超导磁体技术得到了快速发展。制冷机传导冷却系统结构简单、操作方便、体积小；方向可调整，适应性强；无需液体运输及灌注操作，且运行成本低。目前在很多应用领域，传导冷却磁体已经或正在取代浸泡冷却磁体。
发明内容
本发明提供了一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体及制备，具体技术方案为：
一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体，其主体结构由超导片和导冷片交替叠加而成，每两片超导片之间为一片导冷片；还包括电流引线和固定装置；所述固定装置包括法兰盘、拉杆和固定孔；通过法兰盘1、四个拉杆41和相应的四个固定孔42对上述超导片、导冷片进行固定；所述固定孔42位于法兰盘1上；导冷片的连接头5为L型结构，连接头5末端的定位孔4处于同一水平线，连接头5与制冷机的冷却板连接；从而实现磁体的冷却。
所述超导片为圆环片结构，内半径为r1，外半径为r2，由下至上依次为衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层，其中，缓冲层、ReBCO薄膜和保护层形成超导面；在内半径和外半径之间，以超导片圆心为中心点，以r1为底面半径，以r2为顶面半径，超导面经激光切割出圈数为N的螺旋型凹槽，衬底结构不经过切割；螺旋型凹槽的宽度为n mm。所述超导片还具有内端部13和外端部12。
r1和r2的取值范围均为几十毫米到几百毫米，且r1＜r2。N的取值为几圈到数十圈，n为几毫米。
导冷片宜采用热导率高的材料，在热导率高的同时，电阻率高的材料最为理想，可采用铜、铝等材料。本设计采用铜作为传导冷却材料，在其圆环上下表面涂绝缘漆，如聚酰亚胺，作为冷却片的绝缘层，兼顾冷却和绝缘。(导冷片的r1到r2上下区域涂绝缘漆，缝隙6处涂绝缘漆；导冷片内开口21和连接头5均不涂绝缘漆。)
导冷片为圆环片状结构，内外半径与均超导片相同，在外半径边缘带有矩形的连接头5，在连接头5的一端有四个定位孔4；包括导冷片Ⅰ、导冷片Ⅱ。每片导冷片的连接头5的宽度相同，长度不同，下层导冷片比上层导冷片稍长，以保证连接头末端的定位孔4处于同一水平线。此外，为了防止环流，在导冷片的表面沿径向切割一条几毫米宽的缝隙6。
导冷片Ⅰ在半径r1边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和内端部13的弧长相同，称为导冷片内开口21，径向深度与超导片内端部13的宽度相同；导冷片Ⅱ在半径r2边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和外端部12的弧长相同，称为导冷片外开口31，径向深度与超导片外端部12的宽度相同；导冷片内开口21、导冷片外开口31分别与连接头5在同一直线上。
第一电流引线71与最上面一片超导片的外端部相连，第二电流引线72与最下面一片超导片的外端部相连。
如上所述的一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体的制备方法：超导磁体的焊接是把相邻两片超导片进行焊接，使电流能沿着螺旋状的超导面不间断的传输。考虑到超导片的衬底及缓冲层的电阻较大，所以在焊接时要“面对面”焊接，即焊接时将含有ReBCO涂层的面之间进行焊接。第一片超导片的超导面向下，第二片超导片的超导面向上，两片超导片之间为一片导冷片Ⅰ；第一片超导片的外端部与第一电流引线用焊锡焊接，内端部与第二片超导片的内端部用焊锡焊接，两者的焊接位置为导冷片Ⅰ的导冷片内开口处；第三片超导片的超导面向下，第二片超导片与第三片超导片之间为一片导冷片Ⅱ；第二片超导片的外端部与第三片超导片的外端部用焊锡焊接，两者的焊接位置为导冷片Ⅱ的导冷片外开口处；以此类推，最后一片超导片的外端部与第二电流引线用焊锡焊接；其中，第一电流引线与连接头位置相对；通过以上焊接方式，保证每一片超导片上的电流方向相同，以使它们产生的磁场在一个方向上。
成百上千的超导片与导冷片叠加好后，用上下法兰盘对其进行固定，然后用拉杆41穿过上下法兰盘的固定孔42，用螺栓拧紧，从而实现对磁体的固定；用螺栓固定连接头5，然后采用软连接的方法将冷却片的连接头5连接到制冷机的冷却板上。
其中，超导片的制备方法为先制备ReBCO薄膜再切割；具体为：首先把第二代高温超导体的衬底切割成圆环片，内半径为r1，外半径为r2，衬底可选用镍及其合金、Ag、Cu、Pt、Pd等。然后现有的离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)等技术在圆环片衬底上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有Y2O3、CeO2、MgO、SrTiO3、YSZ、Gd2O3、Eu2O3等；接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、喷涂分解法(Spray Pyrolysis)等技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层，形成超导面。在r1与r2之间，以圆环片圆心为中心点，以r1为底面半径，以r2为顶面半径，用激光在衬底上切割出圈数为N的螺旋型凹槽11，切割的深度为刚好把ReBCO层切断，从而把圆环片r1与r2之间表面分割成螺旋带状结构，凹槽宽度为n mm，然后在凹槽11内填充环氧树脂以保证绝缘。
因为螺旋带内外端部的宽度太窄，不方便超导片之间的焊接，也为了保证螺旋带的宽度均匀，所以要对内外端部进行重新设计。
在最内侧一圈螺旋带尾部用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为内端部起始位置131；然后从内端部起始位置131开始，沿着螺旋带旋转方向，以与内端部起始位置夹角为K度的位置作为内端部终止位置132，内端部终止位置132不切割，仅作为一个标记；在起始位置131和终止位置132之间，切割第二圈螺旋带的最外侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成内端部13；
对最外侧一圈螺旋带，在螺旋带宽度便于焊接的位置，用激光沿径向切割宽度为nmm的凹槽，深度为把衬底切透，作为外端部起始位置121；然后从外端部起始位置121开始，逆着螺旋带旋转方向，以与外端部起始位置121夹角为K度的位置作为外端部终止位置122，外端部终止位置122不切割，仅作为一个标记；然后在起始位置121和终止位置122之间，切割最外层螺旋带的内侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成外端部12。
至此，超导片的制作完成。
本发明的原理为：用激光把超导片的超导面切割为螺旋带状结构，然后根据“面对面”焊接的原则对超导片的端部进行焊接，使电流沿同一方向传递下去，保证了每片超导片产生的磁场方向相同，通过每一片超导片产生磁场的叠加，产生符合要求的磁场。在超导片之间叠加兼有绝缘和制冷作用的导冷片，导冷片的连接头与制冷机的冷却板相连，制冷机冷却导冷片，导冷片再冷却超导片，从而提供磁体运行所需要的稳定低温环境。
本发明的有益效果为：本发明提出一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体的方案，采用ReBCO涂层材料制作超导片材，拓展了高温超导材料的应用范围；超导片的超导面进行了切割，能避免磁通跳跃。采用在超导片之间叠加导冷片的方式对磁体进行直接冷却，冷却温度可以连续调节，并且提高了冷却的效率，成本低。
附图说明
图1为超导片的制备过程示意图；
图2为导冷片Ⅰ的结构示意图；
图3为导冷片Ⅱ的结构示意图；
图4为超导片与导冷片的叠加示意图；
图5为传导冷却超导磁体的整体示意图；
其中，1-法兰盘，2-第一超导片，3-第一导冷片Ⅰ，4-定位孔，5-连接头，6-缝隙，7-第二超导片，8-第一导冷片Ⅱ，9-第三超导片，10-第二导冷片Ⅰ，14-第四超导片，15-第二导冷片Ⅱ，16-第五超导片，17-第三导冷片Ⅰ，18-第六超导片，71-第一电流引线，72-第二电流引线，41-拉杆，42-固定孔，11-凹槽，12-外端部，121-外端部起始位置，122-外端部终止位置，13-内端部，131-内端部起始位置，132-内端部终止位置，21-导冷片内开口，31-导冷片外开口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：超导片的制备过程
图1为超导片的制备过程示意图；其中a-d为超导片的具体加工过程。
a：把第二代高温超导体的衬底切割成圆环片，内半径为r1，外半径为r2；衬底可选用镍及其合金、Ag、Cu、Pt、Pd等。
b：用现有的离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)等技术在圆环片衬底上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有Y2O3、CeO2、MgO、SrTiO3、YSZ、Gd2O3、Eu2O3等；接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、喷涂分解法(Spray Pyrolysis)等技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层。
c：切割螺旋凹槽：在r1与r2之间，以圆环片圆心为中心点，以r1为底面半径，以r2为顶面半径，用激光切割出圈数为N的螺旋型凹槽11，切割的深度为刚好把ReBCO层切断，从而把圆环片表面分割成螺旋带状结构，凹槽宽度为n mm，然后在凹槽11填充环氧树脂以保证绝缘。
d：切割内外端部：
在最内侧一圈螺旋带尾部用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为内端部起始位置131；然后从内端部起始位置131开始，沿着螺旋带旋转方向，以与内端部起始位置夹角为K度的位置作为内端部终止位置132，内端部终止位置132不切割，仅作为一个标记；在起始位置131和终止位置132之间，切割第二圈螺旋带的最外侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成内端部13；
对最外侧一圈螺旋带，在螺旋带宽度便于焊接的位置，用激光沿径向切割宽度为nmm的凹槽，深度为把衬底切透，作为外端部起始位置121；然后从外端部起始位置121开始，逆着螺旋带旋转方向，以与外端部起始位置121夹角为K度的位置作为外端部终止位置122，外端部终止位置122不切割，仅作为一个标记；然后在起始位置121和终止位置122之间，切割最外层螺旋带的内侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成外端部12。
至此，超导片的制作完成。
实施例2：导冷片Ⅰ、导冷片Ⅱ的结构示意图
图2为导冷片Ⅰ的结构示意图；图3为导冷片Ⅱ的结构示意图；
导冷片为圆环片状结构，内外半径与均超导片相同，在外半径边缘带有矩形的连接头5，在连接头5的一端有四个定位孔4；包括导冷片Ⅰ、导冷片Ⅱ。每片导冷片的连接头5的宽度相同，长度不同，下层导冷片比上层导冷片稍长，以保证连接头末端的定位孔4处于同一水平线。此外，为了防止环流，在导冷片的表面沿径向切割一条几毫米宽的缝隙6。
其中，导冷片Ⅰ在半径r1边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和内端部13的弧长相同，称为导冷片内开口21，径向深度与超导片内端部13的宽度相同。
导冷片Ⅱ在半径r2边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和外端部12的弧长相同，称为导冷片外开口31，径向深度与超导片外端部12的宽度相同；导冷片内开口21、导冷片外开口31分别与连接头5在同一直线上。
导冷片的制备过程为：
a：将铜片切割成内半径为r1，外半径为r2的圆环片，在r2边缘带有一长度为x，宽度为y的矩形连接头5，其中每一片导冷片的y相同，x不同，并在连接头5的端部打四个固定孔4，沿圆环片径向方向切割一条缝隙6，宽度为几毫米，导冷片Ⅰ在内半径r1边缘开角度为K度的扇形缺口，K的取值同超导片，径向深度与超导片内端部13的宽度相同；导冷片Ⅱ在外半径r2边缘开角度为K度的扇形缺口，径向深度与超导片外端部12的宽度相同；
b：在圆环片上下表面涂绝缘漆，如聚酰亚胺，冷却片连接头部分、内开口21及外开口31处不涂绝缘漆，导冷片的其余部分(包括缝隙6)均涂绝缘漆。
实施例3：超导磁体的焊接以及超导片与导冷片的叠加
图4为超导片与导冷片的叠加示意图。
超导磁体的焊接是把相邻两片超导片进行焊接，使电流能沿着螺旋状的超导面不间断的传输。考虑到超导片的衬底及缓冲层的电阻较大，所以在焊接时要“面对面”焊接，即焊接时将含有ReBCO涂层的面之间进行焊接。
以图中的电流i的流向为例，第一片超导片的超导面向下，第二片超导片的超导面向上，两片超导片之间为一片导冷片Ⅰ(在所有导冷片中，最上面这一片导冷片连接头的长度x最小)；第一片超导片的外端部与第一电流引线71用焊锡焊接，内端部与第二片超导片的内端部用焊锡“面对面”焊接，两者的焊接位置为导冷片Ⅰ的导冷片内开口21处；第三片超导片的超导面向下，第二片超导片与第三片超导片之间为一片导冷片Ⅱ(这片导冷片连接头的长度x比第一片导冷片连接头的长度稍长)；第二片超导片的外端部12与第三片超导片的外端部用焊锡“面对面”焊接，两者的焊接位置为导冷片Ⅱ的导冷片外开口31处；以此类推，最后一片超导片的外端部与第二电流引线72用焊锡焊接；第一电流引线与连接头位置相对。通过以上焊接方式，保证每一片超导片上的电流方向相同，以使它们产生的磁场在一个方向上。实施例4：传导冷却超导磁体的整体结构
图5为传导冷却超导磁体的整体示意图。传导冷却超导磁体的主体结构由超导片和导冷片交替叠加而成，每两片超导片之间为一片导冷片；还包括电流引线和固定装置；所述固定装置包括法兰盘、拉杆和固定孔；通过法兰盘1、四个拉杆41和相应的四个固定孔42对上述超导片、导冷片进行固定；所述固定孔42位于法兰盘1上；导冷片的连接头5为L型结构，连接头5末端的定位孔4处于同一水平线，连接头5与制冷机的冷却板连接；从而实现磁体的冷却。
成百上千的超导片与导冷片叠加好后，用上下法兰盘对其进行固定，然后用拉杆41穿过上下法兰盘的固定孔42，用螺栓拧紧，从而实现对磁体的固定；用螺栓固定连接头5，然后采用软连接的方法将冷却片的连接头连接到制冷机的冷却板上。其中最上边一片超导片和最下边一片超导片的外端部与电流引线相连，实现电流的引入和导出。至此，传导冷却超导磁体制作完成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述超导磁体的主体结构由超导片和导冷片交替叠加而成，每两片超导片之间为一片导冷片；还包括电流引线和固定装置；所述固定装置包括法兰盘、拉杆和固定孔；导冷片的连接头(5)为L型结构，连接头(5)末端的定位孔(4)处于同一水平线，连接头(5)与制冷机的冷却板连接；
所述超导片为圆环片结构，内半径为r1，外半径为r2，由下至上依次为衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层，其中，缓冲层、ReBCO薄膜和保护层形成超导面；在内半径和外半径之间，以超导片圆心为中心点，以r1为底面半径，以r2为顶面半径，超导面经激光切割出圈数为N的螺旋型凹槽，衬底结构不经过切割；螺旋型凹槽的宽度为n mm；
所述超导片还具有内端部(13)和外端部(12)；
所述导冷片为圆环片状结构，内外半径与超导片相同，径向有一条缝隙(6)，上下表面镀有绝缘层；在外半径边缘带有矩形的连接头(5)，在连接头(5)的一端有四个定位孔(4)；每片导冷片的连接头(5)的宽度相同，长度不同，下层导冷片比上层导冷片稍长，以保证连接头末端的定位孔(4)处于同一水平线；
包括导冷片Ⅰ、导冷片Ⅱ；导冷片Ⅰ在半径r1边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和内端部(13)的弧长相同，称为导冷片内开口(21)，径向深度与超导片内端部(13)的宽度相同；导冷片Ⅱ在半径r2边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和外端部(12)的弧长相同，称为导冷片外开口(31)，径向深度与超导片外端部(12)的宽度相同；导冷片内开口(21)、导冷片外开口(31)分别与连接头(5)在同一直线上。
2.权利要求1所述的一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的传导冷却超导磁体的制备方法，其特征在于，第一片超导片的超导面向下，第二片超导片的超导面向上，两片超导片之间为一片导冷片Ⅰ；第一片超导片的外端部与第一电流引线用焊锡焊接，内端部与第二片超导片的内端部用焊锡焊接，两者的焊接位置为导冷片Ⅰ的导冷片内开口处；第三片超导片的超导面向下，第二片超导片与第三片超导片之间为一片导冷片Ⅱ；第二片超导片的外端部与第三片超导片的外端部用焊锡焊接，两者的焊接位置为导冷片Ⅱ的导冷片外开口处；以此类推，最后一片超导片的外端部与第二电流引线用焊锡焊接；其中，第一电流引线与连接头位置相对；
超导片与导冷片叠加好后，用上下法兰盘对其进行固定，然后用拉杆(41)穿过上下法兰盘的固定孔(42)，用螺栓拧紧，从而实现对磁体的固定；固定连接头(5)，然后采用软连接的方法将冷却片的连接头(5)连接到制冷机的冷却板上。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，其中，超导片的制备方法为先制备ReBCO薄膜再切割；具体为：首先把第二代高温超导体的衬底切割成圆环片，内半径为r1，外半径为r2，在衬底上依次敷设缓冲层、ReBCO薄膜和保护层，形成超导面；在r1与r2之间，以圆环片圆心为中心点，以r1为底面半径，以r2为顶面半径，用激光在衬底上切割出圈数为N的螺旋型凹槽(11)，切割的深度为刚好把超导面切断，从而把圆环片r1与r2之间表面分割成螺旋带状结构，凹槽宽度为n mm，然后再切割出内端部(13)和外端部(12)，至此超导片的制作完成。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，切割内端部(13)和外端部(12)的方法分别为：
在最内侧一圈螺旋带尾部用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为内端部起始位置(131)；然后从内端部起始位置(131)开始，沿着螺旋带旋转方向，以与内端部起始位置夹角为K度的位置作为内端部终止位置(132)，内端部终止位置(132)不切割，仅作为一个标记；在起始位置(131)和终止位置(132)之间，切割第二圈螺旋带的最外侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透，从而形成内端部(13)；
对最外侧一圈螺旋带，在螺旋带宽度便于焊接的位置，用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为外端部起始位置(121)；然后从外端部起始位置(121)开始，逆着螺旋带旋转方向，以与外端部起始位置(121)夹角为K度的位置作为外端部终止位置(122)，外端部终止位置(122)不切割，仅作为一个标记；然后在起始位置(121)和终止位置(122)之间，切割最外层螺旋带的内侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透，从而形成外端部(12)。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，用激光在衬底上切割出圈数为N的螺旋型凹槽(11)后，在凹槽(11)内填充环氧树脂以保证绝缘。
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