CN107946015A - 一种基于Nb3Al超导环片的超导磁体 - Google Patents

一种基于Nb3Al超导环片的超导磁体 Download PDF

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胡一丹
王银顺
袁茜
陈洁
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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Nb3Al超导环片的超导磁体。本发明提出了两种Nb3Al超导环片的制作方案，并将制作出的Nb3Al超导环片直接堆叠形成超导磁体。Nb3Al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Nb3Al磁体结构、跑道形Nb3Al磁体结构和D形Nb3Al磁体结构。超导磁体由Nb3Al环形超导片和绝缘片或铜片交互堆叠构成，上下加法兰，并通过拉杆连接固定。本发明采用的Nb3Al超导环片是闭环的，无需绕制，只需直接堆叠形成Nb3Al超导磁体。Nb3Al超导磁体通过磁通泵励磁，无需电流引线和直流电源，省去焊接环节，有磁体结构简单、紧凑、可拆卸、绝缘处理容易、操作简便的优点，能够实现Nb3Al超导磁体的闭环运行。

Description

一种基于Nb3Al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，特别涉及一种基于Nb3Al超导环片的超导磁体。
背景技术
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，其中Al5型金属间超导化合物Nb3Al具有很高的上临界磁场和高场临界电流密度。在强磁场条件下，Nb3Al具有比已实用化的Nb3Sn线材更优良的应力应变容许特性。结合Nb3Al超导材料的优点提出一种Nb3Al闭环超导片的制作，并将其应用到超导磁体的设计中，为高磁场强度的制备提供一种途径。可应用于大型超导磁体装置，高能加速器的束流磁体，核聚变磁体等各个领域。
现今实用的Nb3Al超导材料采用带状结构，通过绕制带材成双饼式或螺管式结构来制备超导磁体。由于Nb3Al超导材料焊接工艺不成熟，无法实现无阻焊接，也就不能实现超导闭环运行。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于Nb3Al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Nb3Al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Nb3Al超导环片由未反应Nb层和生成的Nb3Al层组成，上下为未反应Nb层，中间为生成的Nb3Al层。
所述Nb3Al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Nb3Al磁体结构、跑道形Nb3Al磁体结构和D形Nb3Al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Nb3Al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Nb3Al磁体结构、跑道形Nb3Al磁体结构和D形Nb3Al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。
所述超导磁体通过磁通泵励磁，外加交流电源，实现闭环超导运行。
所述Nb3Al超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将宽度相同的Nb箔和Al箔按照固定的Nb箔-Al箔-Nb箔-Al箔-Nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成五层结构的Nb-Al复合薄板，厚度小于50μm；
步骤2：采用快速加热冷却法对Nb-Al复合薄板进行处理，再经过二次热处理后得到Nb3Al超导薄板；
步骤3：将步骤2所得的Nb3Al超导薄板切割成圆环形Nb3Al超导环片，或跑道形Nb3Al超导环片，或D形Nb3Al超导环片。
所述Nb3Al超导环片的制作工艺包括:
步骤1：将Nb箔和Al箔按照固定的Nb箔-Al箔-Nb箔-Al箔-Nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成五层结构的Nb-Al复合薄板，厚度小于50μm；
步骤2：切割Nb-Al复合薄板，得到圆环形Nb-Al复合薄片，或跑道形Nb-Al复合薄片，或D形Nb-Al复合薄片；
步骤3：采用快速加热冷却法对Nb-Al复合薄片进行处理，再经过二次热处理后，得到圆环形Nb3Al超导环片，或跑道形Nb3Al超导环片，或D形Nb3Al超导环片。
有益效果：
本发明提出一种基于Nb3Al超导环片的超导磁体，由Nb3Al超导环片和绝缘片或铜片交互堆叠构成，通过简单地堆叠Nb3Al超导环片形成超导磁体，省去了绕制环节；无需焊接，采用磁通泵励磁技术，无需电源和电流引线，可以实现了Nb3Al高磁场磁体闭环运行的高场磁体应用；具有制造方便，结构简单、紧凑的优点。
附图说明
图1为制造三种环形Nb3Al超导片的制作工艺一的加工过程示意图；。
图2为制造三种环形Nb3Al超导片的制作工艺二的加工过程示意图；
图3为绝缘片示意图；
图4为采用磁通泵励磁时的圆柱形Nb3Al磁体模型示意图；
图5为采用磁通泵励磁时的跑道形Nb3Al磁体模型示意图；
图6为采用磁通泵励磁时的D形Nb3Al磁体模型示意图；
图7为涂绝缘漆有径向切口的铜片结构示意图；
图8为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的圆柱形Nb3Al磁体模型示意图；
图9为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的跑道形Nb3Al磁体模型示意图；
图10为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的D形Nb3Al磁体模型示意图；
图11为泵入磁通泵脉冲交流电源的交变电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是制造Nb3Al超导环片的方案一的加工过程示意图，具体的示实施过程为：将Nb箔(1)和Al箔(2)按照固定的Nb箔-Al箔-Nb箔-Al箔-Nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成一个五层结构的Nb-Al复合板(4)，厚度小于50μm；在真空室中将复合材料快速加热到1960℃，然后将其放入液态金属Ga溶液中快速淬火，将淬火后的材料进行二次热处理，即得到Nb3Al超导薄板(5)；将Nb3Al超导薄板切割成圆环形Nb3Al超导环片(6)，或者跑道形Nb3Al超导环片(7)，或者D形Nb3Al超导环片(8)。
图2是制造Nb3Al超导环片的方案二的加工过程示意图，具体的示实施过程为：将Nb箔(1)和Al箔(2)按照固定的Nb箔-Al箔-Nb箔-Al箔-Nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成一个五层结构的Nb-Al复合薄板(4)，厚度小于50μm。对Nb-Al复合薄板(4)进行切割，得到圆环形Nb-Al复合薄片(9)，或跑道形Nb-Al复合薄片(10)，或D形Nb-Al复合薄片(11)，其中9-1，10-1，11-1为复合薄板的Nb层，9-2，10-2，11-2为复合薄板的Al层；在真空室中，将三种形状的Nb-Al复合片快速加热到1960℃，然后将其放入液态金属Ga溶液中快速淬火，将淬火后的材料进行二次热处理，即得到圆环形Nb3Al超导环片(6)，或跑道形Nb3Al超导环片(7)，或D形Nb3Al超导环片(8)，其中6-1，7-1，8-1为未反应Nb层，6-2，7-2，8-2为生成的Nb3Al层。
图3为绝缘片示意图，绝缘片可以采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片等，其截面尺寸与超导环片相同，构成圆柱形Nb3Al超导磁体的绝缘片为圆环形(12)；构成跑道形Nb3Al超导磁体的绝缘片为跑道形(20)；构成D形Nb3Al超导磁体的绝缘片为D形(21)。
实施例1
由圆环形Nb3Al超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图如图4所示，构成磁体的具体过程为：先放置好第1片圆环形绝缘片(12)，将第1片圆环形Nb3Al超导环片(6)堆叠在第1片绝缘片(12)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘片(12)堆叠在第1片Nb3Al超导环片(6)上面，再将第2片Nb3Al超导环片(6)堆叠在第2片绝缘片(12)上面。然后将第3片绝缘片(12)堆叠在第2片超导环片(6)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片的内半径同超导片r1，外半径要大于超导片外半径r2，在外半径大于的区域对称开3个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。
实施例2
由跑道形Nb3Al超导环片和绝缘片所构成的磁体结构图如图5所示，构成磁体的具体过程为：先放置好第1片跑道形绝缘片(20)，将第1片跑道形Nb3Al超导环片(7)堆叠在第1片跑道形绝缘片(20)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘片(20)堆叠在第1片Nb3Al超导环片(7)上面，再将第2片Nb3Al超导环片(7)堆叠在第2片绝缘片(20)上面。然后将第3片绝缘片(20)堆叠在第2片超导环片(7)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片也为跑道形环状，内部尺寸同超导片内环尺寸，即内环跑道部分长l2，两端半径为r4，外边要大于跑道形超导环片外半径，在外半径大于的区域对称开4个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。
实施例3
由D形Nb3Al超导环片和绝缘片所构成的磁体结构图如图6所示，构成磁体的具体过程为：首先放置好第1片D形绝缘片(21)，将第1片D形Nb3Al超导环片(8)堆叠在第1片D形绝缘片(21)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘片(21)堆叠在第1片Nb3Al超导环片(8)上面，再将第2片Nb3Al超导环片(8)堆叠在第2片绝缘片(21)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片为方形，内部尺寸与D形超导环片内部尺寸相同，也为D形，半径为r5，外半径要大于D形超导环片外半径r6，在外半径大于的区域对称开4个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。
图7为涂绝缘漆有径向切口的铜片结构示意图，铜片外表面均涂有绝缘漆并保证有径向切口防止形成闭环，可以代替绝缘片，构成圆柱形Nb3Al超导磁体的涂绝缘漆有径向切口的铜片为圆环形(22)，其中22-1为绝缘漆层，22-2为Cu层；构成跑道形Nb3Al超导磁体的绝缘铜片为跑道形(23)，其中23-1为绝缘漆层，23-2为Cu层；构成D形Nb3Al超导磁体的绝缘铜片为D形(24)，其中24-1为绝缘漆层，24-2为Cu层。
实施例4
图8为用涂绝缘漆的有切口的圆环形铜片代替绝缘片的Nb3Al圆柱形磁体模型示意图，具体过程为：先放置好第1片圆环形铜片(22)，将第1片圆环形Nb3Al超导环片(6)堆叠在第1片铜片(22)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片铜片(22)堆叠在第1片Nb3Al超导环片(6)上面，再将第2片Nb3Al超导环片(6)堆叠在第2片铜片(22)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘铜片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片的内半径同超导环片r1，外半径要大于超导环片外半径r2，在外半径大于的区域对称开3个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。
实施例5
图9为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的跑道形Nb3Al磁体模型示意图，具体过程为：先放置好第1片跑道形绝缘铜片(23)，将第1片跑道形Nb3Al超导环片(7)堆叠在第1片跑道形绝缘铜片(23)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘铜片(23)堆叠在第1片Nb3Al超导环片(7)上面，再将第2片Nb3Al超导环片(7)堆叠在第2片绝缘铜片(23)上面。然后将第3片绝缘铜片(23)堆叠在第2片超导环片(7)上面，依次类推，完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。
实施例6
图10为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的D形Nb3Al磁体模型示意图，具体过程为：先放置好第1片D形绝缘铜片(24)，将第1片D形Nb3Al超导环片(8)堆叠在第1片D形绝缘铜片(24)上面，堆叠时要做到上下完全对齐；接着将第2片绝缘铜片(24)堆叠在第1片Nb3Al超导环片(8)上面，再将第2片Nb3Al超导环片(8)堆叠在第2片D形绝缘铜片(24)上面；依次类推，完成超导片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。
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Nb3Al超导环片在超导状态。
Nb3Al磁体的励磁采用磁通泵技术，励磁磁通泵采用空心螺管线圈(17)，螺管线圈的高度大于超导磁体的高度，超导磁体的内环尺寸略大于螺管线圈的外环尺寸，螺管线圈同心同轴地插入超导磁体，外接交流电源(19)。通过外部电源(19)在螺管线圈中输入脉冲电流，对Nb3Al超导磁体励磁。交变电流波形的上升速率应当远大于下降速率，电流波形不限，可以采用如图11所示的三角电流波形。通过在螺管线圈中周期性地泵入交变电流，就可以使超导环片的感应电流逐渐增大。在电流满足期望值后切断交变电流，超导环片的电流保持恒定，维持一个稳定的强磁场。
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Nb3Al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Nb3Al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连接定。
2.根据权利要求1所述的基于Nb3Al超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Al超导环片由未反应Nb层和生成的Nb3Al层组成，上下为未反应Nb层，中间为生成的Nb3Al层。
3.根据权利要求1所述的基于Nb3Al超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Al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Nb3Al磁体结构、跑道形Nb3Al磁体结构和D形Nb3Al磁体结构。
4.根据权利要求1所述的基于Nb3Al超导环片的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片采用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Nb3Al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Nb3Al超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Al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Nb3Al磁体结构、跑道形Nb3Al磁体结构和D形Nb3Al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Nb3Al超导环片的超导磁体，其特征在于，超导磁体通过磁通泵励磁，外加交流电源，实现闭环超导运行。
8.根据权利要求1所述的基于Nb3Al超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Al超导环片的制作工艺包括，
步骤1：将宽度相同的Nb箔和Al箔按照固定的Nb箔-Al箔-Nb箔-Al箔-Nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成五层结构的Nb-Al复合薄板，厚度小于50μm；
步骤2：采用快速加热冷却法对Nb-Al复合薄板进行处理，再经过二次热处理后得到Nb3Al超导薄板；
步骤3：将步骤2所得的Nb3Al超导薄板切割成圆环形Nb3Al超导环片，或跑道形Nb3Al超导环片，或D形Nb3Al超导环片。
9.根据权利要求1所述的基于Nb3Al超导环片的超导磁体，其特征在于，所述Nb3Al超导环片的制作工艺包括:
步骤1：将Nb箔和Al箔按照固定的Nb箔-Al箔-Nb箔-Al箔-Nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成五层结构的Nb-Al复合薄板，厚度小于50μm；
步骤2：切割Nb-Al复合薄板，得到圆环形Nb-Al复合薄片，或跑道形Nb-Al复合薄片，或D形Nb-Al复合薄片；
步骤3：采用快速加热冷却法对Nb-Al复合薄片进行处理，再经过二次热处理后，得到圆环形Nb3Al超导环片，或跑道形Nb3Al超导环片，或D形Nb3Al超导环片。
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