CN106449000B - 一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体。超导片和绝缘片均为圆环片状结构，且两者的内径和外径均相同；绝缘片和超导片交替布置形成超导磁体；在超导磁体上下加法兰，并通过绝缘拉杆连接固定。本发明采用超导片，省去了弯曲和绕制环节，制造方便，结构简单，无弯曲半径限制；在形成超导磁体的过程中只是简单堆叠，无需变形，对超导材料的通流能力影响很小。在需要更强磁场的场合，可以将外半径略小于内半径的超导磁体进行组合嵌套，来得到所需要的磁场。本发明采用液氮提供低温环境，采用磁通泵技术对超导磁体励磁，结合了高温超导ReBCO涂层导体、低温液氮冷却和磁通泵三者的优势，具有功耗小、效率高、结构简单、操作简便的优点。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体技术领域，特别涉及一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体。
背景技术
超导磁体在超导领域占有重要地位，在需要强磁场的场合，如磁约束核聚变托卡马克装置、核磁共振、加速器等，超导磁体常常是最佳选择。与普通磁体相比，超导磁体具有磁场强度高、功耗低、体积小和稳定性高等优点。
随着ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层导体制备技术的不断发展，ReBCO涂层导体在实际中的应用更为广泛。ReBCO涂层导体不但具有良好的高场性能和外场下电磁特性，而且临界电流密度高、交流损耗低、机械性能优越，可以在超导状态下无阻传输电流。
目前实用的高温超导材料大多采用带状结构，即超导带材。制备高温超导磁体常常需要将超导带材弯曲、扭转来绕制成双饼式或螺管式结构。超导带材的弯曲和扭转变形受其机械性能的限制，对弯曲半径有一定的要求；超导带材的变形对其通流能力也会产生一定的影响。
超导磁体一般采用处于常温的电源来励磁，用电流引线连接电源和超导体。在超导磁体系统中，电流引线两端分别处于低温和室温环境，其漏热常常是超导低温容器的主要热源；同时电流引线电阻以及电流引线和超导线之间的焊接电阻，在通电时还会产生焦耳热，提高冷却系统的运行成本。以及高温超导体的n值较小，磁场衰减较为明显。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体。
该超导磁体，超导片和绝缘片均为圆环片状结构，且两者的内径和外径均相同；N+1片绝缘片和N片超导片交替布置形成超导磁体，N为正整数；
所有超导片的堆叠方向一致；
在超导磁体上下加法兰，上下法兰之间通过绝缘拉杆连接固定。
所述超导片是在衬底上依次制备缓冲层、ReBCO涂层、保护层获得；
所述衬底为Ni片、NiW片、哈氏合金片或不锈钢片；
所述缓冲层为绝缘性的金属氧化物；
所述保护层为铜薄膜层或银薄膜层。
所述绝缘片为PPLP绝缘片、牛皮纸或有机绝缘薄片。
将一个超导磁体置入另一个超导磁体的中心圆孔内，得到组合嵌套式超导磁体，以提供强磁场。
一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体的应用：
将超导磁体置于装有液氮的杜瓦容器中，杜瓦容器与制冷系统相连，进行调节超导磁体的温度；
将空心螺管线圈同心同轴地置入超导磁体的中心圆孔内，向空心螺管线圈通入交变电流，交变电流上升沿时间不等于下降沿时间，在超导片中感应出净超导电流，通过周期性地泵入交变电流，使超导磁体的感应电流不断增大至期望值，此时切断交变电流，超导磁体的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场；当超导磁体的电流衰减时，重新接通交变电流进行补偿；其中，所述空心螺管线圈的外径小于超导片和绝缘片的内径，轴向长度大于超导磁体的轴向长度。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种新型超导磁体，由超导片和绝缘片交互堆叠构成，省去了弯曲和绕制环节，制造方便，结构简单，无弯曲半径限制；超导片是平面结构，在形成超导磁体的过程中只是简单堆叠，无需变形，对超导材料的通流能力影响很小。通过调整超导磁体的内外半径的大小，可以得到不同尺寸的超导磁体。在需要更强磁场的场合，可以将外半径略小于内半径的超导磁体进行组合嵌套，来得到所需要的磁场。
本发明采用磁通泵技术给超导磁体供电，通过电磁感应的方法在超导磁体内感应出电流，无需电流引线和焊接，既使得超导磁体结构紧凑，又降低了超导磁体的热损耗。采用磁通泵技术，还便于在超导磁体的磁场衰减时进行补偿。
本发明通过结合高温超导ReBCO涂层导体、低温液氮冷却和磁通泵的优点，将三者的模型应用到超导磁体的设计中，超导磁体具有功耗小、效率高、结构简单、操作简便的优点，为高磁场强度的制备提供了新思路。
附图说明
图1为超导片的加工过程示意图；其中，a-1为方形片状衬底半成品的主视图，a-2为方形片状衬底半成品的剖视图；b-1为衬底的主视图，b-2为衬底的剖视图；c-1为衬底上沉积缓冲层后的主视图，c-2为衬底上沉积缓冲层后的剖视图；d-1为超导片的主视图；d-2为超导片的剖视图。
图2为绝缘片的示意图；其中，a为主视图，b为剖视图。
图3为一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体的示意图。
图4中a为采用磁通泵技术为一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体励磁的示意图；b为泵入磁通泵的交变电流示意图。
以上所述剖视图均为沿中轴线方向的剖视图。
标号说明：1-衬底，2-缓冲层，3-ReBCO涂层，4-保护层，5-超导片，6-绝缘片，7-法兰，8-法兰定位孔，9-绝缘拉杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
首先制备超导片5和绝缘片6，如下：
基于ReBCO涂层的超导片5的加工流程如图1所示。
(1)衬底1的材料采用但不限于Ni、NiW、哈氏合金、不锈钢，首先制作出如图1a-1和图1a-2所示的方形片状衬底半成品；
(2)将方形片状衬底半成品切割成内半径为r2、外半径为r1的圆环片状，制得如图1b-1和图1b-2所示的衬底1；
(3)采用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)等工艺，在衬底1上沉积缓冲层2，如图1c-1和图1c-2所示；缓冲层2一般采用绝缘性的金属氧化物，包括但不限于Y2O3、YSZ、CeO2或YSZ；
(4)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)等工艺在缓冲层2上镀上ReBCO涂层3，接着在ReBCO涂层3上镀银或铜薄膜作为保护层4，得到内半径为r2、外半径为r1的圆环片状的超导片5，如图1d-1和图1d-2所示。
绝缘片6的加工流程如图2所示。
绝缘片6采用但不限于PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜或牛皮纸；有机绝缘薄膜可以为环氧薄片。如图2所示，将绝缘片6加工成内半径为r2、外半径为r1的圆环片状结构。
然后将冷却片5和绝缘片6交替布置形成超导磁体，保证超导磁体中，各圆环结构上下对齐；以及所有超导片6的堆叠方向一致，即超导片6有ReBCO涂层3的一面均朝上或均朝下。以下通过一个具体实施流程进行说明：
(1)放置好第一片绝缘片6，将第一片超导片5有ReBCO涂层3的一面朝上，堆叠在第一片绝缘片6上面；接着将第二片绝缘片6堆叠在第一片超导片5上面，将第二片超导片5有ReBCO涂层3的一面朝上，堆叠在第二片绝缘片6上面；然后将第三片绝缘片6堆叠在第二片超导片5上面，将第三片超导片5有ReBCO涂层3的一面朝上，堆叠在第三片绝缘片6上面；以此类推，进行多层绝缘片6与超导片5的交互堆叠，最后将一片绝缘片6堆叠在顶部，堆叠完毕，得到传导冷却超导磁体。堆叠时，保证各圆环上下对齐。
(2)堆叠完毕后，上下加法兰7固定，法兰7的内半径为r2，外半径大于r1；法兰7上，在超出半径为r1的圆的区域均匀开三个半径为r3的法兰定位孔8。上下法兰7的中心孔与超导片5和绝缘片6对齐，且上下法兰定位孔8上下对准。三根绝缘拉杆9的上下两端分别穿过上下对应的法兰定位孔8，并通过螺栓固定，将多层超导片7和绝缘片6堆叠结构的超导磁体夹紧固定。
如图3所示为一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体，从下至上按照“绝缘片6、超导片5、绝缘片6、超导片5、绝缘片6、超导片5、绝缘片6”的顺序，进行多片超导片5和绝缘片6的交互堆叠，得到超导磁体。
超导磁体需要从室温降至超导温度以下并维持，才能其保证正常运行。超导磁体的冷却方式一般有三种：浸泡冷却、迫流冷却、热传导冷却。浸泡冷却是一种直接的、最简便的冷却方式，将超导磁体直接浸泡在冷却介质中。浸泡冷却方式，结构简单，温度稳定性好，并且超导磁体不受机械振动影响。采用液氮作为冷却介质，可以降低冷却成本。液氮可以装在杜瓦容器中使用，为进一步减少外壁的辐射热和传导热，可以在杜瓦容器外形成喷铝薄膜，且内外壁间抽真空。液氮通过导管输入，蒸发的气体经回气口逸出。杜瓦容器与低温制冷系统相连，调节低温环境，防止超导磁体失超，还可以实现液氮循环使用。
本发明采用磁通泵技术向超导磁体供电，实现对超导磁体的励磁。如图4a所示，将空心螺管线圈同心同轴地置入超导磁体的中心圆孔内，所述空心螺管线圈的外半径略小于超导片5和绝缘片6的内半径r2，轴向长度大于超导磁体的轴向长度。空心螺管线圈相当于变压器原边绕组，超导磁体中的超导片5相当于副边绕组。向空心螺管线圈通入交变电流i1，控制电流频率，利用电磁感应使超导片5感应出电流进而产生磁场。交变电流i1的上升沿时间小于下降沿时间，电流波形不限，可以采用如图4b所示的三角波形，其OA的斜率大于AB的斜率，即电流上升速率大于下降速率。在交变电流i1上升过程中(图4b中OA段)，各个超导片5流过大小相等、逆时针方向的感应电流；在交变电流i1下降过程中(图4b中AB段)，各个超导片5流过大小相等、顺时针方向的感应电流。虽然交变电流i1下降过程中产生的磁通相反，但不足以抵消交变电流i1上升过程中产生的磁通量，从而在超导片7中感应出逆时针方向的净超导电流i2。通过周期性地泵入交变电流i1，使超导磁体的电流不断增大至期望值，此时切断交变电流i1，超导片5的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场。当超导片的电流衰减时，重新接通交变电流i1进行补偿。
当需要更强的磁场时，可以采用两个超导磁体组合嵌套，即，一个超导磁体的外半径为r4，内半径为r5，外半径r4略小于上述超导磁体的内半径r2，将外半径较小的超导磁体同心同轴地置入上述超导磁体内，得到组合嵌套式超导磁体。将外半径略小于r5的空心螺管线圈同心同轴地置入组合嵌套式超导磁体的中心圆孔内，采用磁通泵技术向超导磁体供电，向空心螺管线圈通入交变电流，控制电流频率，利用电磁感应使组合嵌套式超导磁体感应出电流进而产生稳定的磁场。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的举例，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 (4)
1.一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体，其特征在于，超导片和绝缘片均为圆环片状结构，且两者的内径和外径均相同；N+1片绝缘片和N片超导片交替布置形成超导磁体，N为正整数；
所有超导片的堆叠方向一致；
在超导磁体上下加法兰，上下法兰之间通过绝缘拉杆连接固定；
所述超导磁体的励磁方式采用磁通泵技术，具体为将空心螺管线圈同心同轴地置入超导磁体的中心圆孔内，向空心螺管线圈通入交变电流，交变电流上升沿时间不等于下降沿时间，在超导片中感应出净超导电流，通过周期性地泵入交变电流，使超导磁体的感应电流不断增大至期望值，此时切断交变电流，超导磁体的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场；当超导磁体的电流衰减时，重新接通交变电流进行补偿；其中，所述空心螺管线圈的外径小于超导片和绝缘片的内径，轴向长度大于超导磁体的轴向长度；
所述超导磁体的冷却方式采用浸泡冷却方式，具体为将超导磁体置于装有液氮的杜瓦容器中，杜瓦容器与制冷系统相连，进行调节超导磁体的温度。
2.根据权利要求1所述一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体，其特征在于，所述超导片是在衬底上依次制备缓冲层、ReBCO涂层、保护层获得；
所述衬底为Ni片、NiW片、哈氏合金片或不锈钢片；
所述缓冲层为绝缘性的金属氧化物；
所述保护层为铜薄膜层或银薄膜层。
3.根据权利要求1所述一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片为有机绝缘薄片。
4.根据权利要求1所述一种基于ReBCO涂层超导片的超导磁体，其特征在于，将一个超导磁体置入另一个超导磁体的中心圆孔内，得到组合嵌套式超导磁体，以提供强磁场。
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