CN107742566A - 一种基于NbTi超导环片的超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超导磁体应用领域，尤其涉及一种基于NbTi超导环片的超导磁体，超导磁体由绝缘片与NbTi超导环片交互堆叠组成，顶层和底层为绝缘片，顶层和底层外加中间开孔的法兰片，通过绝缘拉杆和螺栓进行上下法兰片的固定连接。NbTi超导环片有圆环形片，跑道形环片和D形环片3种结构，3种形状不同的环形片组装成3种不同形状的环状超导磁体。采用感应磁通泵为整个磁体励磁，实现磁体的闭环运行。超导磁体不仅能够输出强磁场，而且内部各个NbTi超导环片之间无需焊接，无电源和电流引线，具有结构紧凑、稳定性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体应用领域，尤其涉及一种基于NbTi超导环片的超导磁体。
背景技术
超导材料已广泛应于高技术领域，NbTi合金作为一种典型的低温超导材料，广泛应用于高能物理、受控热核聚变、储能、磁悬浮等重要领域。NbTi超导线具有良好的可塑性和机械韧性，在使用过程中性能不退化，用它绕制的磁体安全性很强，稳定性很高。
NbTi超导线材的加工工艺成熟，采用传统工艺和人工钉扎中心工艺制备方法，目前已实现产业化，广泛应用于3T以下的磁共振成像(MRI)系统。由于NbTi超导线材具有很好的加工性能和高的临界电流密度，也广泛应用于大型加速器项目中。高铜比NbTi/Cu超导线材具有低成本、所制备的磁体稳定性高等优点，是NbTi超导线材的主要产品之一。实用的高铜比NbTi/Cu超导线材多采用多芯复合导线结构，但加工过程中存在断线和断芯而使生产的成品率下降。NbTi/Cu超导线材，通过绕制导线来制备超导磁体，无法实现无阻焊接，也就不能实现超导磁体的闭环运行。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于NbTi超导环片的超导磁体，
超导磁体由形状尺寸相同但中间开孔的绝缘片与NbTi超导环片交互堆叠组成，顶层和底层为绝缘片，顶层和底层外加中间开孔的法兰片进行固定，在法兰片四周大于超导环片的区域对称开若干个定位孔，通过绝缘拉杆和螺栓进行上下法兰片的固定连接。
所述NbTi超导环片由Cu层和NbTi层组成，上下为Cu层，中间为NbTi层。
所述NbTi超导环片形状包括圆形、跑道形和D形环3种，分别对应为圆柱形NbTi磁体结构、跑道形NbTi磁体结构和D形NbTi磁体结构。
所述的绝缘片采用PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片。
所述绝缘片用铜片替换，铜片双面涂有绝缘漆，并有径向的切口。
所述NbTi超导环片形状包括圆形、跑道形和D形环3种，分别对应为圆柱形NbTi磁体结构、跑道形NbTi磁体结构和D形NbTi磁体结构；所述绝缘片采用PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸、环氧薄片或用铜片替换，铜片双面涂有绝缘漆，并有径向的切口。
采用磁通泵励磁方式为整个磁体励磁，实现超导磁体的闭环运行。
所述NbTi超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将NbTi合金棒多次挤压，形成NbTi合金薄板，将铜挤压成Cu薄板，其中，NbTi合金薄板和Cu薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板、NbTi合金薄板、Cu薄板进行堆叠，通过多次挤压机，形成多层的复合薄板；
步骤3：将成卷的复合薄板采用成熟的时效热处理工艺，形成NbTi薄板；
步骤4：在NbTi薄板上先切割成方形的片状，再用方形片切割成圆环形NbTi超导环片，或跑道形NbTi超导环片，或D形NbTi超导环片。
所述NbTi超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将NbTi合金棒多次挤压，形成NbTi合金薄板，将铜挤压成Cu薄板，其中，NbTi合金薄板和Cu薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板、NbTi合金薄板、Cu薄板进行堆叠，通过多次挤压机，形成多层的复合薄板；
步骤3：在复合薄板上切割出方形的片状，再切割成圆环片状或跑道形环片，或者D形环片；
步骤4：将3种环形片各自堆叠成摞，采用成熟的时效热处理工艺形成圆环形NbTi超导环片，或跑道形NbTi超导环片，或D形NbTi超导环片。
有益效果
本发明采用NbTi材料制作超导环片，拓展了NbTi超导材料超导磁体的应用范围，各个NbTi超导环片之间无需焊接，没有接触电阻，无需电源和电流引线，实现无电阻的超导磁体的闭环运行；NbTi超导环片的超导磁体有较高磁体载流能力，能在强磁场下稳定运行；另外，超导磁体结构紧凑，损耗小，在中大型超导磁体，热核聚变反应方面具有广泛的应用。
附图说明
图1是方案1下NbTi超导环片的加工示意图；
图2是方案2下NbTi超导环片的加工示意图；
图3是绝缘片的结构示意图；
图4是铜片的结构示意图；
图5为圆柱形NbTi超导磁体的结构示意图；
图6为用铜片代替绝缘片的圆柱形NbTi磁体模型示意图；
图7为跑道形NbTi磁体模型示意图；
图8为用铜片代替绝缘片的跑道形NbTi磁体模型示意图；
图9为D形NbTi磁体模型示意图；
图10为用铜片代替绝缘片的D形NbTil磁体模型示意图；
图11是磁通泵脉冲电流的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
图1是采用方案1的NbTi超导环片的加工过程示意图，具体的示实施过程为：首先，将NbTi合金棒(1)通过挤压机(2)多次挤压，形成NbTi合金薄板(3)，然后，将铜Cu(4)挤压成Cu(5)薄板。其中，NbTi合金薄板和Cu薄板的宽度相同。接着，按照顺序依次将Cu薄板(5)、NbTi合金薄板(3)、Cu薄板(5)进行堆叠，通过多次挤压，形成多层的复合薄板(6)。接着将成卷的复合薄板采用成熟的时效热处理工艺，形成NbTi薄板(7)，其中7-1为铜层，7-2为NbTi层，为然后在NbTi薄板上先切割成方形的片状，再用方形片切割成圆环片状(8)，内半径r1，外半径为r2，其中8-1为Cu层，8-2为NbTi层，也可切割成跑道形环片(9)，内短半轴为a1，内长半轴b1，外短半轴a2，外长半轴b2，其中9-1为Cu层，9-2为NbTi层，或D形环片(10)，内半径r3，外半径为r4，其中10-1为Cu层，10-2为NbTi层。
图2是采用方案2的NbTi超导环片的加工过程示意图，具体的示实施过程为：首先，将NbTi合金棒(1)通过挤压机(2)多次挤压，形成NbTi合金薄板(3)，然后，将铜Cu(4)挤压成Cu薄板(5)。其中，NbTi合金薄板和Cu薄板的宽度相同。接着，按照顺序依次将Cu薄板(5)、NbTi合金薄板(3)、Cu薄板(5)进行堆叠，通过多次挤压，形成多层的复合薄板(6)。接着先复合薄板上切割出方形的片状，再切割成圆环片状(11)或跑道形环片(12)，或者D形环片(13)。然后，三种环形片各自堆叠成摞，采用成熟的时效热处理工艺形成NbTi超导圆环片(8)或NbTi超导跑道形环片(9)，或者NbTi超导D形环片(10)。
图3所示的绝缘片有圆环形，跑道形，D形3种结构，绝缘片可采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片等。绝缘片(14)的内外半径与NbTi超导圆环片相同；绝缘片(15)的内外半径与NbTi超导跑道形环片相同；绝缘片(16)的内外半径与NbTi超导D形环片相同。
图4所示的铜片有圆环形，跑道形，D形3种结构，铜片是双面镀绝缘漆的铜片，铜片上径向切口。铜片(17)的内外半径与NbTi超导圆环片相同，17-1为绝缘漆，17-2为铜Cu；铜片(18)的内外半径与NbTi超导跑道形环片相，18-1为绝缘漆，18-2为铜Cu；铜片(19)的内外半径与NbTi超导D形环片相同，19-1为绝缘漆，19-2为铜Cu。
实施例1
图5是由NbTi超导圆环片和绝缘片所构成的超导磁体，磁通泵励磁的整体结构示意图：首先放置好第1片绝缘片(14)，将第1片NbTi超导圆环片(8)堆叠在第1片绝缘片(14)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片绝缘片(14)堆叠在第1片NbTi超导圆环片(8)上面，再将第2片NbTi超导圆环片(8)堆叠在第2片绝缘片(14)上面，依次完成NbTi超导圆环片和绝缘片的交互堆叠。上下加法兰(20)固定，通过3个定位孔(21)，用螺栓(22)，螺母(23)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(24)采用空心螺管线圈，螺管线圈的高度应当大于超导磁体的高度，螺管线圈的外半径应小于超导磁体的内半径，以便螺管线圈可以同心同轴地插入超导磁体，脉冲电源(25)为磁通泵螺管线圈供电，输出电流波形上升沿远小于下降沿。
实施例2
图6是由NbTi超导跑道形环片和绝缘片所构成的超导磁体，磁通泵励磁的整体结构示意图：首先放置好第1片绝缘片(15)，将第1片NbTi超导跑道形环片(9)堆叠在第1片绝缘片(15)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片绝缘片(15)堆叠在第1片NbTi超导跑道形环片(9)上面，再将第2片NbTi超导跑道形环片(9)堆叠在第2片绝缘片(15)上面，依次完成NbTi超导跑道形环片和绝缘片的交互堆叠。上下加法兰(20)固定，通过4个定位孔(21)，用螺栓(22)，螺母(23)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(24)采用空心螺管线圈，线圈截面可采用跑道形截面。螺管线圈的高度大于3超导磁体的高度，螺管线圈的外半径应小于超导磁体的内半径，以便螺管线圈可以同心同轴地插入超导磁体，脉冲电源(25)为螺管线圈供电，输出电流波形上升沿远小于下降沿。
实施例3
图7是由NbTi超导D形环片和绝缘片所构成的超导磁体，磁通泵励磁的整体结构示意图：首先放置好第1片绝缘片(16)，将第1片NbTi超导D形环片(10)堆叠在第1片绝缘片(16)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片绝缘片(16)堆叠在第1片NbTi超导D形环片(10)上面，再将第2片NbTi超导D形环片(10)堆叠在第2片绝缘片(16)上面，依次完成NbTi超导D形环片和绝缘片的交互堆叠。上下加法兰(20)固定，通过4个定位孔(21)，用螺栓(22)，螺母(23)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(24)采用空心螺管线圈，线圈截面可采用D形截面。螺管线圈的高度应当大于3倍超导磁体的高度，螺管线圈的外半径应小于超导磁体的内半径，以便螺管线圈可以同心同轴地插入超导磁体，电源(25)为螺管线圈供电，输出电流波形上升沿远小于下降沿。
实施例4
图8是由NbTi超导圆环片和铜片所构成的超导磁体，磁通泵励磁的整体结构示意图：首先放置好第1片铜片(17)，将第1片NbTi超导圆环片(8)堆叠在第1片铜片(17)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片铜片(17)堆叠在第1片NbTi超导圆环片(8)上面，再将第2片NbTi超导圆环片(8)堆叠在第2片铜片(17)上面，依次完成NbTi超导环片和铜片的交互堆叠。上下加法兰(20)固定，通过3个定位孔(21)，用螺栓(22)，螺母(23)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(24)采用空心螺管线圈，螺管线圈的高度应当大于超导磁体的高度，螺管线圈的外半径应小于超导磁体的内半径，以便螺管线圈可以同心同轴地插入超导磁体，脉冲电源(25)为磁通泵螺管线圈供电，输出电流波形上升沿远小于下降沿。
实施例5
图9是由NbTi超导跑道形环片和铜片所构成的超导磁体，磁通泵励磁的整体结构示意图：首先放置好第1片铜片(18)，将第1片NbTi超导跑道形环片(9)堆叠在第1片铜片(18)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片铜片(18)堆叠在第1片NbTi超导跑道形环片(9)上面，再将第2片NbTi超导跑道形环片(9)堆叠在第2片铜片(18)上面，依次完成NbTi超导跑道形环片和铜片的交互堆叠。上下加法兰(20)固定，通过4个定位孔(21)，用螺栓(22)，螺母(23)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(24)采用空心螺管线圈，线圈截面可采用跑道形截面。螺管线圈的高度应当大于超导磁体的高度，螺管线圈的外半径应小于超导磁体的内半径，以便螺管线圈可以同心同轴地插入超导磁体，脉冲电源(25)为磁通泵螺管线圈供电，输出电流波形上升沿远小于下降沿。
实施例6
图10是由NbTi超导D形环片和铜片所构成的超导磁体，磁通泵励磁的整体结构示意图：首先放置好第1片铜片(19)，将第1片NbTi超导D形环片(10)堆叠在第1片铜片(19)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片铜片(19)堆叠在第1片NbTi超导D形环片(10)上面，再将第2片NbTi超导D形环片(10)堆叠在第2片铜片(19)上面，依次完成NbTi超导D形环片和铜片的交互堆叠。上下加法兰(20)固定，通过4个定位孔(21)，用螺栓(22)，螺母(23)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(24)采用空心螺管线圈，线圈截面可采用D形截面。螺管线圈的高度应当大于超导磁体的高度，螺管线圈的外半径应小于超导磁体的内半径，以便螺管线圈可以同心同轴地插入超导磁体，脉冲电源(25)为磁通泵螺管线圈供电，输出电流波形上升沿远小于下降沿。
采用超导磁通泵技术向超导磁体供电，实现对磁体系统的励磁。整个过程需保持低温制冷系统的正常运行，保证NbTi超导片在超导状态。图11所示为磁通泵的脉冲电流，脉冲电流I可采用三角波，其上升沿远小于下降沿，上升时间为t1，下降时间为t2。
本发明采用磁通泵技术给超导磁体励磁，通过电磁感应的方法在NbTi超导环片内感应出电流，整个励磁过程中，无需焊接电流引线，没有接触电阻，单个NbTi超导环片之间无需焊接，实现超导磁体的闭环运行，同时降低功率损耗和运行成本。
此实施例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 (9)
1.一种基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，超导磁体由形状尺寸相同但中间开孔的绝缘片与NbTi超导环片交互堆叠组成，顶层和底层为绝缘片，顶层和底层外加中间开孔的法兰片进行固定，在法兰片四周大于超导环片的区域对称开若干个定位孔，通过绝缘拉杆和螺栓进行上下法兰片的固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，所述NbTi超导环片由Cu层和NbTi层组成，上下为Cu层，中间为NbTi层。
3.根据权利要求1所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，所述NbTi超导环片形状包括圆形、跑道形和D形环3种，分别对应为圆柱形NbTi磁体结构、跑道形NbTi磁体结构和D形NbTi磁体结构。
4.根据权利要求1所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，所述的绝缘片采用PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片。
5.根据权利要求1所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片用铜片替换，铜片双面涂有绝缘漆，并有径向的切口。
6.根据权利要求1所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，所述NbTi超导环片形状包括圆形、跑道形和D形环3种，分别对应为圆柱形NbTi磁体结构、跑道形NbTi磁体结构和D形NbTi磁体结构；所述绝缘片采用PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸、环氧薄片或用铜片替换，铜片双面涂有绝缘漆，并有径向的切口。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，采用磁通泵励磁方式为整个磁体励磁，实现超导磁体的闭环运行。
8.根据权利要求1所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，所述NbTi超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将NbTi合金棒多次挤压，形成NbTi合金薄板，将铜挤压成Cu薄板，其中，NbTi合金薄板和Cu薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板、NbTi合金薄板、Cu薄板进行堆叠，通过多次挤压机，形成多层的复合薄板；
步骤3：将成卷的复合薄板采用成熟的时效热处理工艺，形成NbTi薄板；
步骤4：在NbTi薄板上先切割成方形的片状，再用方形片切割成圆环形NbTi超导环片，或跑道形NbTi超导环片，或D形NbTi超导环片。
9.根据权利要求1所述的基于NbTi超导环片的超导磁体，其特征在于，所述NbTi超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将NbTi合金棒多次挤压，形成NbTi合金薄板，将铜挤压成Cu薄板，其中，NbTi合金薄板和Cu薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板、NbTi合金薄板、Cu薄板进行堆叠，通过多次挤压机，形成多层的复合薄板；
步骤3：在复合薄板上切割出方形的片状，再切割成圆环片状或跑道形环片，或者D形环片；
步骤4：将3种环形片各自堆叠成摞，采用成熟的时效热处理工艺形成圆环形NbTi超导环片，或跑道形NbTi超导环片，或D形NbTi超导环片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180227 |