CN106298151B - 一种基于ReBCO涂层的类比特超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于超导磁体应用领域的一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，包括超导片、绝缘片、超导引线片和固定装置，其中先在第一超导引线片下面按照绝缘片、超导片的顺序依次堆叠数片，并且相邻的超导片之间进行焊接，然后在最后一片超导片、绝缘片下面焊接第二超导引线片，然后上下各加法兰，用定位拉杆穿过各片的定位孔，将各片固定在一起形成完整的单个类比特超导磁体；或将单个类比特超导磁体通过调整其内外半径的大小进行相互嵌套，从而实现将多级类比特超导磁体嵌套成一个组合超导磁体。类比特超导磁体不仅能够输出强磁场，而且稳定，同时结构紧凑、便于实现多级嵌套、常规绝缘容易处理等优点。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体应用领域，特别提出一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体。
背景技术
强磁场是科学研究的重要极端条件，研究不同磁场强度的强磁场试验装置，对科学技术的发展提供不同的实验途径。随着超导技术的快速发展，不论是商业发展还是实验设计上都需要越来越强的磁场强度来测试材料的各种特性。目前，不论在国际上还是在国内，所设计的磁体能提供的磁场强度大多达不到45T，而且成本代价很高。根据比特磁体(Bitter‐magnet)和高温超导ReBCO涂层导体的特性，将两者的模型应用到类比特超导磁体设计中，为高磁场强度的制备提供一种新型的方法。
比特磁体是研究不同磁场强度的强磁场的重要的实验装置，其在低温条件下可以产生很强磁场。比特磁体制备强磁场所需的功率的数量级达到几十兆瓦，而且，需要的电流达到几万安培，故比特磁体的功率损耗很大，成本代价很高，难以应用推广。近几年来，ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层导体的制备技术取得了重大进展，ReBCO涂层导体具有上临界磁场高、临界电流密度大、交流损耗低等优点，而且，ReBCO涂层导体在超导状态下可以无阻的传输电流。故此，提出以ReBCO涂层导体结构为基础的ReBCO涂层导体片作为类比特超导磁体传输电流的部分，利用类比特超导磁体制备强磁场，具有结构紧凑，成本低，参数易调整的优点。因此提出一种基于ReBCO涂层的类比特超导磁体，包括类比特超导磁体的结构，类比特超导磁体的焊接，类比特超导磁体的嵌套三部分。作为产生强磁场的装置，类比特超导磁体不仅能够输出强的磁感应强度，而且输出的强磁场稳定，同时还具有结构紧凑、便于实现多级嵌套、常规绝缘容易处理等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，其特征在于，所述类比特超导磁体为圆柱体型，包括超导片、绝缘片、超导引线片和固定装置，其中先在第一超导引线片下面按照绝缘片、超导片的顺序依次堆叠数片，并且相邻的超导片之间进行焊接，然后在最后一片超导片下面放置绝缘片，在下面绝缘片放置第二超导引线片，并最后一片超导片和第二超导引线片焊接，然后上下各加法兰，将3根定位拉杆穿过各片的定位孔，将各片固定在一起形成完整的单个类比特超导磁体；或将单个类比特超导磁体通过调整其内外半径的大小进行相互嵌套，从而实现将多级类比特超导磁体嵌套成一个组合超导磁体；所述超导片和绝缘片上有打定位孔或不打定位孔的2种实施方案。
所述超导片采用与第二代高温超导涂层相同的衬底材料制作出方形的片状衬底；按照尺寸将方形的片状衬底切割成内外半径不同的圆环片状，并对称开定位孔或不打定位孔；沿径向开切口，切口位置与超导片间的焊接角度相关，不同超导片的切口位置不同；接着采用现成的第二代高温超导缓冲层制备工艺在圆环上沉积缓冲层；然后在缓冲层上采用现成的第二代高温超导薄膜涂层技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，接着镀银、铜薄膜保护层，以此形成具有圆环片状的超导片；其中衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金板材料或不锈钢材料；所述第二代高温超导缓冲层制备工艺为现有的离子束辅助沉积技术(IBAD)或倾斜基底沉积(ISD)技术；所述第二代高温超导薄膜涂层技术为现有的金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法。
所述绝缘片采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片；绝缘片的大小与超导片相同，同样地，也在绝缘片上打有和超导片一样的中心孔；也在绝缘片上打或不打定位孔，绝缘片表面切口，切口的角度以相邻超导片的焊接留出一定的位置为准。
所述超导引线片为内外半径与超导片一样的圆环片状结构，制作工艺与超导片相同，且在圆环部分的外侧一端伸出矩形端，焊接电源引线，其中，在衬底1上沉积缓冲层1‐3；然后在缓冲层上镀上ReBCO薄膜1‐2，接着镀银、铜薄膜保护层1‐1。
一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，其特征在于，所述超导片和绝缘片上打有定位孔的结构方案；首先，在上法兰9下面放置第一超导引线片1，将第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片2插入超导引线片1下面，第一绝缘片2的切口12的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口10，将第一超导片3涂有ReBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片2下面；将第一超导片3涂有ReBCO层的一面与第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接，焊接位置为第一绝缘片2的切口位置；将第二绝缘片4插在第一超导片3下面，第二绝缘片4的切口的一边对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二超导片5插在第二绝缘片4下面，第二超导片5涂有ReBCO层的一面朝下，穿过第二绝缘片4的切口，使第二超导片涂5有ReBCO层的一面与第一超导片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接；第二绝缘片4的切口位置较第一绝缘片2的切口位置旋转了一定的角度；第三绝缘片6放在第二超导片5下面，依此类推，同样地按照一片超导片与一绝缘片堆叠数片，并进行超导片的焊接，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着堆叠第二超导引线片7和下法兰8，并将最后一片超导片涂有ReBCO的一面和第二超导引线片7涂有ReBCO的一面“面对面”焊接；然后将3根定位拉杆10穿过各片的定位孔11，将各片固定在一起形成完整的类比特超导磁体。
一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，其特征在于，其特征在于，所述超导片和绝缘片上不打定位孔的结构方案；将第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片2插入超导引线片1下面，第一绝缘片2的切口10的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口10，将第一超导片3涂有ReBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片2下面；将第一超导片3涂有ReBCO层的一面与第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接，焊接位置为第一绝缘片2的切口位置；将第二绝缘片4插在第一超导片3下面，第二绝缘片4的切口的一边对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二超导片5插在第二绝缘片4下面，第二超导片5涂有ReBCO层的一面朝下，穿过第二绝缘片4的切口，使第二超导片涂5有ReBCO层的一面与第一超导片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接；第二绝缘片4的切口位置较第一绝缘片2的切口位置旋转了一定的角度，以切口位置来实现各片的定位；再将第三绝缘片6放在第二超导片5下面，依此类推，同样地按照一片超导片与一绝缘片堆叠数片，并进行超导片的焊接，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着堆叠第二超导引线片7，并将最后一片超导片涂有ReBCO的一面和第二超导引线片7涂有ReBCO的一面“面对面”焊接；然后将上法兰9放置在第一超导引线片1上面，将下法兰8放置在第二超导引线片7下面；其中上下法兰上面的定位孔圆的直径大于超导片的外径，3根定位拉杆12穿过上下法兰的定位孔14将组成组装的类比特超导磁体的各片压紧固定。
所述上下法兰的内半径的尺寸与超导片的内半径的尺寸相同，外半径的尺寸比超导片要略大一些，在其比超导片的表面积多的外围面积处，对称开3个定位孔。
一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体的嵌套组合，其特征在于，将类比特超导磁体设计为不同的内外半径，通过调整类比特超导磁体的内外半径的大小，得到不同尺寸的类比特超导磁体；将内类比特超导磁体嵌套于内半径大于内类比特超导磁体外半径的外类比特超导磁体内，即实现不同内外半径的单个类比特超导磁体的组合嵌套，依次类推，能够实现多个类比特超导磁体的嵌套。
所述类比特超导磁体的固定装置包括固定超导片和绝缘片中的定位拉杆和上下法兰；选择常用的不锈钢、环氧玻璃钢作为磁体的固定装置的材料，在拉杆的外层包裹环氧树脂薄膜或绝缘漆作为绝缘层。
本发明的有益效果：本发明采用ReBCO涂层材料制作超导圆环片，拓展了高温超导材料的应用范围；类比特超导磁体不仅能产生强的磁感应强度，输出稳定，而且能在更高的电流密度下运行，并产生更高的磁场梯度；另外，类比特超导磁体结构紧凑，重量轻，在大空间产生高磁场而只消耗很少的电能，类比特超导磁体在超导磁体方面具有广泛的应用。
附图说明
图1为超导片和绝缘片上打定位孔(方案1)的单个类比特超导磁体的结构示意图。
图2为超导片和绝缘片上不打定位孔(方案2)的单个类比特超导磁体的结构示意图。
图3为类比特超导磁体的嵌套组合结构示意图，其中a为俯视图；b为剖面图。
图4为超导片的结构示意图。
图5为超导引线片的结构示意图。
图6为绝缘片的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体。本发明类比特超导磁体为圆柱体型，包括超导片、绝缘片、超导引线片和固定装置，其中先在第一超导引线片下面按照绝缘片、超导片的顺序依次堆叠数片，并且相邻的超导片之间进行焊接，然后在最后一片超导片下面放置绝缘片，在下面绝缘片放置第二超导引线片，并最后一片超导片和第二超导引线片焊接，然后上下各加法兰，将3根定位拉杆穿过各片的定位孔，将各片固定在一起形成完整的单个类比特超导磁体；或将单个类比特超导磁体通过调整其内外半径的大小进行相互嵌套，从而实现将多级类比特超导磁体嵌套成一个组合超导磁体；所述超导片和绝缘片上有打定位孔或不打定位孔的2种实施方案。下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，超导片和绝缘片上打有定位孔的结构方案
图1所示为超导片和绝缘片上打定位孔(方案1)的单个类比特超导磁体的结构示意图。图中所示，在上法兰9下面放置第一超导引线片1，将第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片2插入超导引线片1下面，第一绝缘片2的切口10的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口10，将第一超导片3涂有ReBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片2下面；将第一超导片3涂有ReBCO层的一面与第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接，焊接位置为第一绝缘片2的切口位置；将第二绝缘片4插在第一超导片3下面，第二绝缘片4的切口的一边对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二超导片5插在第二绝缘片4下面，第二超导片5涂有ReBCO层的一面朝下，穿过第二绝缘片4的切口，使第二超导片涂5有ReBCO层的一面与第一超导片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接；第二绝缘片4的切口位置较第一绝缘片2的切口位置旋转了一定的角度；第三绝缘片6放在第二超导片5下面，第三绝缘片6下面接着堆叠第二超导引线片7和下法兰8，并将第二超导片5涂有ReBCO的一面和第二超导引线片7涂有ReBCO的一面“面对面”焊接；然后将3根定位拉杆12穿过各片的定位孔14，将各片固定在一起形成完整的类比特超导磁体。
实施例2，超导片和绝缘片上不打定位孔的结构方案
图2所示为超导片和绝缘片上不打定位孔的单个类比特超导磁体(方案2)的结构示意图。图中所示，将第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片2插入超导引线片1下面，第一绝缘片2的切口10的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口10，将第一超导片3涂有ReBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片2下面；将第一超导片3涂有ReBCO层的一面与第一超导引线片1涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接，焊接位置为第一绝缘片2的切口位置；将第二绝缘片4插在第一超导片3下面，第二绝缘片4的切口的一边对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二超导片5插在第二绝缘片4下面，第二超导片5涂有ReBCO层的一面朝下，穿过第二绝缘片4的切口，使第二超导片涂5有ReBCO层的一面与第一超导片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接；第二绝缘片4的切口位置较第一绝缘片2的切口位置旋转了一定的角度，以切口位置来实现各片的定位；再将第三绝缘片6放在第二超导片5下面，在绝缘片6下面接着堆叠第二超导引线片7，并将第二超导片涂有ReBCO的一面和第二超导引线片7涂有ReBCO的一面“面对面”焊接；然后将上法兰9放置在第一超导引线片1上面，将下法兰8放置在第二超导引线片7下面；其中上下法兰的内半径的尺寸与超导片的内半径的尺寸相同，外半径的尺寸比超导片要略大一些，在其比超导片的表面积多的外围面积处，对称开3个定位孔。3根定位拉杆12穿过上下法兰的定位孔14将组成组装的类比特超导磁体的各片压紧固定。
实施例3，类比特超导磁体的嵌套组合结构
图3所示为类比特超导磁体的嵌套组合结构示意图，其中a为俯视图；b为剖面图；图中所示，将类比特超导磁体设计为不同的内外半径，通过调整类比特超导磁体的内外半径的大小，得到不同尺寸的类比特超导磁体；实现将不同内外半径的单个类比特超导磁体的组合嵌套，依次类推，能够实现多个类比特超导磁体的嵌套。本实施例以内类比特超导磁体CT1和外类比特超导磁体CT2的嵌套为例进行说明：CT1嵌套在CT2内，实现2个类比特超导磁体的嵌套。首先，制作出2个内外半径不同的类比特超导磁体，内类比特超导磁体CT1的外半径r7要略小于外类比特超导磁体CT2的内半径r8，两个类比特超导磁体的间距d1即是r8‐r7的差值，在几毫米左右；r6‐-内类比特超导磁体的内半径；r9‐-外类比特超导磁体的外半径；r10为各类比特超导磁体的定位孔的半径；然后，将第2个磁体套在第1个的外部。
所述类比特超导磁体的固定装置包括固定超导片和绝缘片中的定位拉杆12和上法兰9，下法8；选择常用的不锈钢、环氧玻璃钢作为磁体的固定装置的材料，在定位拉杆12的外层包裹环氧树脂薄膜或绝缘漆作为绝缘层。
图4所示为超导片的结构示意图。所述超导片采用与第二代高温超导涂层相同的衬底材料制作出方形的片状衬底；按照尺寸将方形的片状衬底切割成内外半径为r1和r2的圆环片状，并对称开3个半径为r3的定位孔14，沿径向切口10，切口角度与超导片间的焊接角度相关，切口的宽度为并对称开定位孔或不打定位孔14；沿径向开切口10，切口位置与超导片间的焊接角度相关，不同超导片的切口位置不同；接着采用现成的第二代高温超导缓冲层制备工艺在圆环上沉积缓冲层1‐3；然后在缓冲层上采用现成的第二代高温超导薄膜涂层技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜1‐2，接着镀银、铜薄膜保护层1‐1，以此形成具有圆环片状的超导片；其中衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金板材料或不锈钢材料；所述第二代高温超导缓冲层制备工艺为现有的离子束辅助沉积技术(IBAD)或倾斜基底沉积(ISD)技术；所述第二代高温超导薄膜涂层技术为现有的金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法。
图5所示为超导引线片的结构示意图。所述超导引线片为内外半径与超导片一样的圆环片状结构，制作工艺与超导片相同，长度为g，宽度为h；在衬底1表面上沉积缓冲层1‐3；然后在缓冲层上采用现成的第二代高温超导薄膜涂层技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜1‐2，接着镀银、铜薄膜保护层1‐1。在超导引线片的圆环部分上打3个定位孔14，切口10角度与超导片的切口角度相同为
图6所示为绝缘片的结构示意图。所述绝缘片采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片；绝缘片的大小与超导片相同，同样地，也在绝缘片上打有和超导片一样的中心孔；也在绝缘片上打或不打定位孔，绝缘片表面切口，切口的角度以相邻超导片的焊接留出一定的位置为准。
Claims (5)
1.一种基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，所述类比特超导磁体为圆柱体型，包括超导片、绝缘片、超导引线片和固定装置，其特征在于，先在第一超导引线片下面按照绝缘片、超导片的顺序依次堆叠数片，并且相邻的超导片之间进行焊接，然后在最后一片超导片下面放置绝缘片，在下面绝缘片放置第二超导引线片，并最后一片超导片和第二超导引线片焊接，然后上下各加法兰，将3根定位拉杆穿过有定位孔的各片，将各片固定在一起形成完整的单个类比特超导磁体，或者3根定位拉杆穿过上下法兰的定位孔，将组装的无定位孔的类比特超导磁体的各片压紧固定；或将单个类比特超导磁体通过调整其内外半径的大小进行相互嵌套，从而实现将多级类比特超导磁体嵌套成一个组合超导磁体；所述超导引线片为内外半径与超导片一样的圆环片状结构，制作工艺与超导片相同，且在圆环部分的外侧一端伸出矩形端，焊接电源引线，其中，在衬底上沉积缓冲层；然后在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，接着镀银、铜薄膜保护层；所述超导引线片、超导片和绝缘片上有打定位孔或不打定位孔的2种实施方案。
2.一种权利要求1所述的基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，其特征在于，超导引线片、超导片和绝缘片上打有定位孔的组装结构为；首先，将第一超导引线片涂有ReBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片插入第一超导引线片下面，第一绝缘片的切口的一边对准第一超导引线片电流传输向下侧的切口，将第一超导片涂有ReBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片下面；将第一超导片涂有ReBCO层的一面与第一超导引线片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接，焊接位置为第一绝缘片的切口位置；将第二绝缘片插在第一超导片下面，第二绝缘片的切口的一边对准第一超导片电流传输向下侧的切口，再将第二超导片插在第二绝缘片下面，第二超导片涂有ReBCO层的一面朝下，穿过第二绝缘片的切口，使第二超导片涂有ReBCO层的一面与第一超导片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接；第二绝缘片的切口位置较第一绝缘片的切口位置旋转了一定的角度；第三绝缘片放在第二超导片下面，依此类推，同样地按照一片超导片与一绝缘片堆叠数片，并进行超导片的焊接，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着堆叠第二超导引线片，并将最后一片超导片涂有ReBCO的一面和第二超导引线片涂有ReBCO的一面“面对面”焊接；在第一超导引线片上面放置上法兰，第二超导引线片下面放置下法兰，然后将3根定位拉杆穿过各片的定位孔，将各片固定在一起形成完整的类比特超导磁体。
3.一种权利要求1所述的基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，其特征在于，超导引线片、超导片和绝缘片上不打定位孔的组装结构为；将第一超导引线片涂有ReBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片插入第一超导引线片下面，第一绝缘片的切口的一边对准第一超导引线片电流传输向下侧的切口，将第一超导片涂有ReBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片下面；将第一超导片涂有ReBCO层的一面与第一超导引线片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接，焊接位置为第一绝缘片的切口位置；将第二绝缘片插在第一超导片下面，第二绝缘片的切口的一边对准第一超导片电流传输向下侧的切口，再将第二超导片插在第二绝缘片下面，第二超导片涂有ReBCO层的一面朝下，穿过第二绝缘片的切口，使第二超导片涂有ReBCO层的一面与第一超导片涂有ReBCO层的一面“面对面”焊接；第二绝缘片的切口位置较第一绝缘片的切口位置旋转了一定的角度，以切口位置来实现各片的定位；再将第三绝缘片放在第二超导片下面，依此类推，同样地按照一片超导片与一绝缘片堆叠数片，并进行超导片的焊接，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着堆叠第二超导引线片，并将最后一片超导片涂有ReBCO的一面和第二超导引线片涂有ReBCO的一面“面对面”焊接；然后将上法兰放置在第一超导引线片上面，将下法兰放置在第二超导引线片下面；其中上下法兰上面的定位孔圆的直径大于超导片的外径，3根定位拉杆穿过上下法兰的定位孔将组成组装的类比特超导磁体的各片压紧固定。
4.根据权利要求1所述基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体，其特征在于，所述上下法兰的内半径的尺寸与超导片的内半径的尺寸相同，上下法兰的外半径大于超导片的外半径，在其比超导片的表面积多的外围面积处，对称开3个定位孔。
5.一种基于权利要求1所述的基于ReBCO涂层导体片的类比特超导磁体的嵌套组合，其特征在于，将类比特超导磁体设计为不同的内外半径，通过调整类比特超导磁体的内外半径的大小，得到不同尺寸的类比特超导磁体；将内类比特超导磁体嵌套于内半径大于内类比特超导磁体的外半径的外类比特超导磁体内，即实现不同内外半径的单个类比特超导磁体的组合嵌套，依次类推，能够实现多个类比特超导磁体的嵌套。
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