CN107742567A - 一种基于Nb3Sn超导环片的超导磁体 - Google Patents

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袁茜
王银顺
彭畅
胡丹
胡一丹
皮伟
薛济萍
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Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
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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Nb3Sn超导环片的超导磁体。包括Nb3Sn超导环片、绝缘片或铜片和固定装置，其中Nb3Sn超导环片和绝缘片依次堆叠数片，超导环片间无接头、上下各加法兰，用螺栓将各片固定在一起形成完整的超导磁体，超导磁体无需电源，没有电流引线，采用感应磁通泵为整个磁体励磁，实现磁体的闭环运行。Nb3Sn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成3种结构不同的超导磁体。超导磁体不仅能够输出强磁场，而且内部各个Nb3Sn超导环片之间无需焊接，无电源和电流引线，无引线漏热，具有无接头、结构紧凑、可拆卸、稳定性高、绝缘处理容易等优点。

Description

一种基于Nb3Sn超导环片的超导磁体
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Nb3Sn超导环片的超导磁体。
背景技术
Nb3Sn是一种具有A15或A3B晶体结构铌锡金属间化合物，有较高的上临界场，临界温度，临界电流密度，但是其机械强度较差。Nb3Sn超导材料在强磁场中具有较高的载流能力，较低的交流损耗，应用于受热核反应的高场，大型超导磁体装置，高能加速器的束流磁体，核聚变磁体等各个领域。结合Nb3Sn超导材料和磁通泵技术，提出一种新型的基于Nb3Sn超导环片的超导磁体的结构设计，为强磁场的磁体制备提供一种途径。
基于Nb和Sn材料良好的延展性，Nb3Sn超导材料大多制作为多芯Nb3Sn超导线，常用的制备工艺有化学汽相沉淀法，扩散法，青铜法，离位法等，其中，青铜法应用最为广泛。多芯Nb3Sn超导线常应用于高场磁体线圈，10T以上的磁体多用Nb3Sn超导线绕制，由于Nb3Sn机械性能差，通常采用先反应后绕制(R&W)和先绕制后反应(W&R)工艺，但是绕制的磁体尤其是大型的超导磁体装置成品率较低、成本高。此外，Nb3Sn超导线材的焊接工艺不成熟，导致Nb3Sn超导磁体无法实现闭环运行。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于Nb3Sn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Nb3Sn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Nb3Sn超导环片由Cu层和Nb3Sn层组成，上下为Cu层，中间为Nb3Sn层。
所述Nb3Sn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Nb3Sn磁体结构、跑道形Nb3Sn磁体结构和D形Nb3Sn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Nb3Sn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Nb3Sn磁体结构、跑道形Nb3Sn磁体结构和D形Nb3Sn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Nb3Sn超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将Nb棒通过挤压机，加温挤压，形成Nb薄板，厚度小于25μm；接着将青铜Cu-Sn通过挤压机，形成青铜Cu-Sn薄板，厚度小于25μm；再将铜Cu挤压成Cu薄板，厚度小于25μm，其中，Nb薄板，青铜Cu-Sn薄板和Cu薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板、青铜Cu-Sn薄板、Nb薄板、Cu-Sn薄板、Cu带进行堆叠，通过多次挤压机，形成多层的Nb复合薄板，其厚度小于50μm；
步骤3：将成卷的复合薄板采用成熟的进行热处理工艺，形成Nb3Sn薄板；
步骤4：先在Nb3Sn薄板上切割出方形的片状，再切割成圆环形Nb3Sn超导环片，或跑道形Nb3Sn超导环片，或D形Nb3Sn超导环片。
所述Nb3Sn超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将Nb棒通过挤压机多次挤压，形成Nb薄板，厚度小于25μm；接着将青铜Cu-Sn通过多次挤压，形成青铜Cu-Sn带材薄板，厚度小于25μm；再将铜Cu多次挤压成Cu薄板，厚度小于25μm，其中，Nb带材薄板，青铜Cu-Sn薄板和Cu带材薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板-Cu-Sn薄板-Nb带薄板-Cu-Sn薄板-Cu薄板进行堆叠，通过多次挤压机，进行加温挤压形成多层的Nb复合薄板，厚度小于50μm；
步骤3：在复合薄板上切割出方形的片状，再切割成圆环形环片，或跑道形环片，或者D形环片；
步骤4：将三种环形片堆叠，采用成熟的热处理工艺形成圆环形Nb3Sn超导环片，或跑道形Nb3Sn超导环片，或D形Nb3Sn超导环片。
有益效果
本发明提出了一种基于Nb3Sn超导环片的超导磁体，由Nb3Sn超导环片和绝缘片或铜片交互堆叠构成，采用磁通泵励磁方式为超导磁体励磁，采用液氮浸泡或传导冷却的方式进行超导磁体冷却，无需焊接、无需电源和电流引线，没有接触电阻，电流持续运行，实现超导磁体的闭环运行，具有结构紧凑、制作工艺简单的优点。
附图说明
图1为方案1中Nb3Sn超导环片的加工示意图；
图2为方案2中Nb3Sn超导环片的加工示意图；
图3为绝缘片的结构示意图；
图4为铜片的结构示意图；
图5为圆柱形Nb3Sn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Nb3Sn磁体模型示意图；
图7为跑道形Nb3Sn磁体模型示意图；
图8为用铜片代替绝缘片的跑道形Nb3Sn磁体模型示意图；
图9为D形Nb3Sn磁体模型示意图；
图10为用铜片代替绝缘片的D形Nb3Sn磁体模型示意图；
图11为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所示为采用方案1的Nb3Sn超导环片的结构示意图：包括b材料(1)，青铜Cu-Sn材料(2)和Cu材料(3)等。首先，将Nb棒(1)通过多次挤压(4)，形成Nb薄板(5)；接着将青铜Cu-Sn(2)通过多次挤压(4)，形成青铜Cu-Sn薄板(6)；再将铜Cu(3)多次挤压成Cu薄板(7)。其中，Nb薄板(5)，青铜Cu-Sn薄板(6)和Cu薄板(7)的宽度相同。接着，按照顺序依次将Cu薄板(7)Cu-Sn薄板(6)Nb薄板(5)Cu-Sn薄板(6)Cu薄板(7)进行薄板的堆叠，通过挤压机(4)，形成多层的Nb复合薄板(8)，其中，8-1为Cu层，8-2为Cu-Sn层，8-3为Nb层；然后将成卷的复合薄板(8)采用成熟的热处理工艺处理，形成Nb3Sn薄板(9)，其中9-1为Cu层，9-2为Nb3Sn层；接着，先在Nb3Sn薄板(9)上切割出方形的片状，再切割成Nb3Sn超导圆环片状(10)，内半径r1，外半径为r2，其中10-1为Cu层，10-2为Nb3Sn层，或者Nb3Sn超导跑道形环片(11)，内短半轴为a1，内长半轴b1，外短半轴a2，外长半轴b2，，其中11-1为Cu层，11-2为Nb3Sn层，或者切割成Nb3Sn超导D形环片(12)，内半径r3，外半径为r4，其中12-1为Cu层，12-2为Nb3Sn层。
图2所示为采用方案2的Nb3Sn超导环片的结构示意图：首先，将Nb棒(1)多次通过挤压机(4)，形成Nb薄板(5)；接着将青铜Cu-Sn(2)多次通过挤压机(4)，形成青铜Cu-Sn薄板(6)；再将铜Cu(3)挤压成Cu薄板(7)。其中，Nb薄板(5)，青铜Cu-Sn薄板(6)和Cu薄板(7)的宽度相同。接着，按照顺序依次将Cu带(7)-Cu-Sn带(6)-Nb带(5)-Cu-Sn带(6)-Cu带(7)进行带材的堆叠，多次通过挤压机(4)，形成多层的复合薄板(8)，其中，8-1为Cu层，8-2为Cu-Sn层，8-3为Nb层；然后先在复合薄板(8)上切割出方形的片状，再切割成圆环片状(13)内半径为r1，外半径为r2，其中，13-1为Cu层，13-2为Cu-Sn层，13-3为Nb层，或者跑道形环片(14)，内短半轴为a1，内长半轴b1，外短半轴a2，外长半轴b2，其中，14-1为Cu层，14-2为Cu-Sn层，14-3为Nb层，或者切割成圆环片状(15)内半径为r3,外半径为r4，其中，15-1为Cu层，15-2为Cu-Sn层，15-3为Nb层；接着，环片堆叠成摞，采用成熟的热处理工艺，形成Nb3Sn圆环片状(10)，或者Nb3Sn跑道形片状(11)的超导环片，或者Nb3Sn超导D形环片(12)，其中10-1为Cu，10-2为Nb3Sn，11-1为Cu，11-2为Nb3Sn，12-1为Cu层，12-2为Nb3Sn层。
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(16)的内外半径与Nb3Sn超导圆环片相同；绝缘片(17)的内外半径与Nb3Sn超导跑道形环片相同；绝缘片(18)的内外半径与Nb3Sn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(19)的内外半径与Nb3Sn超导圆环片相同，19-1为绝缘漆，19-2为铜Cu；铜片(20)的内外半径与Nb3Sn超导跑道形环片相，20-1为绝缘漆，20-2为铜Cu；铜片(21)的内外半径与Nb3Sn超导D形环片相同，21-1为绝缘漆，21-2为铜Cu。
实施例1
图5是由Nb3Sn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(16)，将第1片Nb3Sn超导圆环片(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Nb3Sn超导圆环片(10)上面，再将第2片Nb3Sn超导圆环片(10)堆叠在第2片绝缘片(16)上面，依次完成Nb3Sn超导环片和绝缘片的交互堆叠。上下加法兰(22)固定，通过3个定位孔(23)，用螺栓(24)，螺母(25)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(26)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(27)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Nb3Sn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(19)，将第1片Nb3Sn超导圆环片(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Nb3Sn超导圆环片(10)上面，再将第2片Nb3Sn超导圆环片(10)堆叠在第2片铜片(19)上面，依次完成Nb3Sn超导环片和铜片的交互堆叠。上下加法兰(22)固定，通过3个定位孔(23)，用螺栓(24)，螺母(25)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(26)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(27)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3
图7是由Nb3Sn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(17)，将第1片Nb3Sn超导跑道形环片(11)堆叠在第1片绝缘片(17)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片绝缘片(17)堆叠在第1片Nb3Sn超导跑道形环片(11)上面，再将第2片Nb3Sn超导跑道形环片(11)堆叠在第2片绝缘片(17)上面，依次完成Nb3Sn超导跑道形环片和绝缘片的交互堆叠。上下加法兰(22)固定，通过3个定位孔(23)，用螺栓(24)，螺母(25)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(26)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(27)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Nb3Sn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(20)，将第1片Nb3Sn超导跑道形环片(10)堆叠在第1片铜片(20)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片铜片(20)堆叠在第1片Nb3Sn超导跑道形环片(10)上面，再将第2片Nb3Sn超导跑道形环片(10)堆叠在第2片铜片(20)上面，依次完成Nb3Sn超导跑道形环片和铜片的交互堆叠。上下加法兰(22)固定，通过3个定位孔(23)，用螺栓(24)，螺母(25)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(26)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(27)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Nb3Sn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(18)，将第1片Nb3Sn超导D形环片(12)堆叠在第1片绝缘片(18)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片绝缘片(18)堆叠在第1片Nb3Sn超导D形环片(12)上面，再将第2片Nb3Sn超导D形环片(12)堆叠在第2片绝缘片(18)上面，依次完成Nb3Sn超导D形环片和绝缘片的交互堆叠。上下加法兰(22)固定，通过4个定位孔(23)，用螺栓(24)，螺母(25)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(26)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(27)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6
图10是由Nb3Sn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(20)，将第1片Nb3Sn超导D形环片(10)堆叠在第1片铜片(20)上面，堆叠时上下完全对齐；接着将第2片铜片(20)堆叠在第1片Nb3Sn超导D形环片(10)上面，再将第2片Nb3Sn超导D形环片(10)堆叠在第2片铜片(20)上面，依次完成Nb3Sn超导D形环片和铜片的交互堆叠。上下加法兰(22)固定，通过3个定位孔(23)，用螺栓(24)，螺母(25)固定，将超导磁体的各片压紧固定，形成完整磁体。磁通泵(26)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(27)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。
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Nb3Sn材料制作超导环片，拓展了Nb3Sn超导材料超导磁体的应用范围，各个Nb3Sn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；Nb3Sn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。
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Nb3Sn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Nb3Sn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Nb3Sn超导环片的超导磁体，所述Nb3Sn超导环片由Cu层和Nb3Sn层组成，上下为Cu层，中间为Nb3Sn层。
3.根据权利要求1所述的基于Nb3Sn超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Sn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Nb3Sn磁体结构、跑道形Nb3Sn磁体结构和D形Nb3Sn磁体结构。
4.根据权利要求1所述的基于Nb3Sn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Nb3Sn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Nb3Sn超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Sn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Nb3Sn磁体结构、跑道形Nb3Sn磁体结构和D形Nb3Sn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Nb3Sn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Nb3Sn超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Sn超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将Nb棒通过挤压机，加温挤压，形成Nb薄板，厚度小于25μm；接着将青铜Cu-Sn通过挤压机，形成青铜Cu-Sn薄板，厚度小于25μm；再将铜Cu挤压成Cu薄板，厚度小于25μm，其中，Nb薄板，青铜Cu-Sn薄板和Cu薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板、青铜Cu-Sn薄板、Nb薄板、Cu-Sn薄板、Cu带进行堆叠，通过多次挤压机，形成多层的Nb复合薄板，其厚度小于50μm；
步骤3：将成卷的复合薄板采用成熟的进行热处理工艺，形成Nb3Sn薄板；
步骤4：先在Nb3Sn薄板上切割出方形的片状，再切割成圆环形Nb3Sn超导环片，或跑道形Nb3Sn超导环片，或D形Nb3Sn超导环片。
9.根据权利要求1所述的基于Nb3Sn超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Sn超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将Nb棒通过挤压机多次挤压，形成Nb薄板，厚度小于25μm；接着将青铜Cu-Sn通过多次挤压，形成青铜Cu-Sn带材薄板，厚度小于25μm；再将铜Cu多次挤压成Cu薄板，厚度小于25μm，其中，Nb带材薄板，青铜Cu-Sn薄板和Cu带材薄板的宽度相同；
步骤2：按照顺序依次将Cu薄板-Cu-Sn薄板-Nb带薄板-Cu-Sn薄板-Cu薄板进行堆叠，通过多次挤压机，进行加温挤压形成多层的Nb复合薄板，厚度小于50μm；
步骤3：在复合薄板上切割出方形的片状，再切割成圆环形环片，或跑道形环片，或者D形环片；
步骤4：将三种环形片堆叠，采用成熟的热处理工艺形成圆环形Nb3Sn超导环片，或跑道形Nb3Sn超导环片，或D形Nb3Sn超导环片。
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