CN108962535A - 一种基于铁基涂层超导片的超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于铁基涂层超导片的超导磁体。超导片和绝缘片可采用圆环形、跑道形或D形片状结构，且两者尺寸大小均相同；绝缘片和超导片交替布置；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，将外半径略小于内半径的超导磁体进行组合嵌套。本发明采用液氮提供低温环境，使用杜瓦容器调节温度，采用磁通泵技术对超导磁体励磁，结合高温超导铁基涂层导体、低温液氮冷却和磁通泵三者优势，超导磁体不仅能够产生强磁场，而且还具有功耗小、效率高、结构简单、操作简便的优点。

Description

一种基于铁基涂层超导片的超导磁体

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，特别涉及一种基于铁基涂层超导片的超导磁体。

背景技术

不论是基础研究还是潜在应用，Fe基超导体(FBS)都是非常特殊的材料。FBS这种多频带超导体的特征是非常规、各向异性的，所有这些特征在电力传输特性上都有一定程度的反映。它们通常在低温下显示出非常高的上临界场和高不可逆性场，这使得高场内临界电流密度J_c成为了可能，尤其是对于高频场的应用上。

铁基超导线材的加工工艺已经十分成熟，在实际应用中，通过脉冲激光沉积技术(PLD)、分子束外延技术(MBE)和人工钉扎中心工艺制备薄膜。由于成本和加工的问题，在高场磁体应用的超导线材中仍以低温材料Nb₃Sn为主，但铁基超导线材的发现为高场线材提供了另一个选择。尤其是AeFe₂As₂(Ae：碱土元素，Ae-122)是高场磁体应用的最佳候选之一，因为它具有较高的上临界场、适度的H_c2和合适的临界温度。故此，本发明提出一种基于铁基涂层超导片的超导磁体，为强磁场的产生提供一种途径。

采用磁通泵技术给超导磁体励磁，通过电磁感应的方法在铁基涂层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，单个铁基涂层超导环片之间无需焊接，实现超导磁体的闭环运行，同时降低热损耗和运行成本。

本发明提出一种基于铁基涂层超导片的超导磁体的制备方法，由铁基涂层超导环片和绝缘片交互堆叠构成，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。

发明内容

由于成本和处理能力的限制，在超导材料的高场磁体应用中仍以低温Nb₃Sn为主。针对这一问题，本发明提供了一种基于铁基涂层超导片的超导磁体。

该超导磁体包括铁基涂层超导片和绝缘片，并且两者尺寸大小相同；

超导片和绝缘片交替堆叠组成超导磁体；

所有超导片的堆叠方向保持一致；

所述超导磁体的顶部和底部加法兰并通过螺栓加固，用绝缘拉杆将法兰连接固定；

所述超导环片有圆形环片、跑道形环片和D形环片3种结构，3种形状不同的环片组成3种不同形状的超导磁体；

所述超导片在衬底上依次制备缓冲层、铁基涂层、保护层；

所述衬底为Ni片、NiW片、哈氏合金片或不锈钢片；

所述铁基涂层为AeFe₂As₂高场磁体材料，其中Ae为碱土元素；

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；

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)等技术在衬底上生成薄膜；

所述绝缘片为PPLP绝缘片、牛皮纸、有机绝缘薄膜或环氧薄片等，绝缘片的大小与超导环片相同；

将一个超导磁体置入另一个超导磁体的孔内，得到组合嵌套式超导磁体，以此提供更强的磁场；

在缓冲层上镀上铁基涂层，接着在铁基涂层上镀银或铜薄膜作为保护层，得到环状超导片；然后将绝缘片与超导片交替堆叠，最后将绝缘片叠放在顶端，保证整体上下左右对齐，各超导片正反面朝向一致，上下端加上法兰并通过螺栓固定，组成完整的圆环形、跑道形或D形超导磁体；

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尺寸大小略小于超导片和绝缘片的中心孔尺寸大小，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，包括超导片和绝缘片，二者交互堆叠，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尺寸大小，可以得到不同尺寸的超导磁体。也可以通过调整超导片和磁体片的形状，从而得到不同结构的超导磁体。在需要更强磁场的场合，可以将尺寸大小不同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铁基涂层导体、低温液氮冷却和磁通泵的优点，将三者应用到超导磁体的设计中，得到的超导磁体具有功耗小、效率高、结构简单、操作简便的优点，为高磁场强度的产生提供了新思路。

本发明中采用的铁基超导体是非传统的、各向异性的的超导体，所有的这些特性都在一定程度上反映出其良好的电运输性质，在高温、高载流超导领域具有极其广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明超导磁体单个圆环形超导片的结构示意图；其中，1-1为圆环形超导片衬底；1-2为圆环形超导片缓冲层；1-3为铁基涂层；1-4为圆环形超导片保护层。

图2为本发明超导磁体单个跑道形超导片的结构示意图；其中，2-1为跑道形超导片衬底；2-2为跑道形超导片缓冲层；2-3为铁基涂层；2-4为跑道形超导片保护层。

图3为本发明超导磁体单个单个D形超导片的结构示意图；其中，3-1为D形超导片衬底；3-2为D形超导片缓冲层；3-3为铁基涂层；3-4为D形超导片保护层。

图4为本发明采用磁通泵技术的一种基于铁基涂层圆环形超导片的超导磁体励磁的示意图；其中1a为圆环形超导片，2a为圆环形绝缘片，3为法兰，4为定位孔，5为绝缘拉杆，6为螺栓，7为磁通泵，8为脉冲电源。

图5为本发明采用磁通泵技术的一种基于铁基涂层跑道形超导片的超导磁体励磁的示意图；其中1b为跑道形超导片，2b为跑道形绝缘片，3为法兰，4为定位孔，5为绝缘拉杆，6为螺栓，7为磁通泵，8为脉冲电源。

图6为本发明采用磁通泵技术的一种基于铁基涂层D形超导片的超导磁体励磁的示意图；其中1c为D形超导片，2c为D形绝缘片，3为法兰，4为定位孔，5为绝缘拉杆，6为螺栓，7为磁通泵，8为脉冲电源。

图7为磁通泵脉冲电流的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

首先制备基于铁基涂层的超导片1a,1b,1c，和绝缘片2a,2b,2c，如下：

基于铁基涂层的圆环形超导片1a的加工制备方法(结合图1和图4)如下：

(1)如图1所示，衬底1-1的材料采用但不限于Ni、NiW、哈氏合金、不锈钢，首先制备出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r₁、外半径为r₂的圆环片状，制得如图1中1-1所示的衬底；

(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1-1上沉积缓冲层1-2，缓冲层1-2一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1-2上镀上铁基涂层1-3，接着在铁基涂层1-3上镀银或铜薄膜作为保护层1-4，得到内半径为r₁、外半径为r₂的圆环片状的超导片，如图4中1a所示。

绝缘片2a的加工制备方法如下。

绝缘片2a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。将绝缘片2a加工成内半径为r₁、外半径为r₂的圆环片状结构。

然后将圆环形超导片1a和绝缘片2a交替布置形成超导磁体，保证超导磁体中，各圆环保持结构上下左右对齐；以及所有超导片1a的堆叠方向一致，即超导片1a有铁基涂层1-3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2a，将第一片超导片1a有铁基涂层1-3的一面朝上，堆叠在第一片绝缘片2a上面；接着将第二片绝缘片2a堆叠在第一片超导片1上面，将第二片超导片1a有铁基涂层1-3的一面朝上，堆叠在第二片绝缘片2a上面；然后将第三片绝缘片2a堆叠在第二片超导片1a上面，将第三片超导片1a有铁基涂层1-3的一面朝上，堆叠在第三片绝缘片2a上面；以此类推，进行多层绝缘片2a与超导片1a的交互堆叠，最后将一片绝缘片2a堆叠在顶部，堆叠完毕，得到传导冷却超导磁体。堆叠时，保证各圆环上下左右对齐。

(2)堆叠完毕后，上下加法兰3固定，法兰3的内半径为r₁，外半径大于r₂；法兰3上，在超出半径为r₂的圆的区域均匀开三个半径较小的法兰定位孔4。上下法兰3的中心孔与超导片1和绝缘片2对齐，且上下法兰定位孔4上下对准。三根绝缘拉杆5的上下两端分别穿过上下对应的法兰定位孔4，并通过螺栓6固定，将多层超导片1a和绝缘片2a堆叠结构的超导磁体夹紧固定。

如图4所示为一种基于铁基涂层圆环形超导片的超导磁体，从下至上按照“绝缘片2a、超导片1a、绝缘片2a、超导片1a、绝缘片2a、超导片1a、绝缘片2a”的顺序，进行多片超导片1a和绝缘片2a的交互堆叠，得到超导磁体。

基于铁基涂层的跑道形超导片1b的加工制备方法(结合图2和图5)如下：

(1)如图2所示，衬底2-1的材料采用但不限于Ni、NiW、哈氏合金、不锈钢，首先制备出方形片状衬底半成品；

(2)将方形片状衬底半成品切割成内短半轴为a₁，内长半轴b₁，外短半轴a₂，外长半轴b₂，制得如图2中2-1所示的衬底；

(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2-1上沉积缓冲层2-2，缓冲层2-2一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2-2上镀上铁基涂层2-3，接着在铁基涂层2-3上镀银或铜薄膜作为保护层2-4，得到内短半轴为a₁，内长半轴b₁，外短半轴a₂，外长半轴b₂的跑道形片状的超导片，如图5中1所示。

绝缘片2b的加工制备方法如下。

绝缘片2b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。将绝缘片2b加工成内短半轴为a₁，内长半轴b₁，外短半轴a₂，外长半轴b₂的跑道形片状结构。

然后将跑道形超导片1b和绝缘片2b交替布置形成超导磁体，保证超导磁体中，各跑道形片保持结构上下左右对齐；以及所有超导片1b的堆叠方向一致，即超导片1b有铁基涂层2-3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2b，将第一片超导片1b有铁基涂层2-3的一面朝上，堆叠在第一片绝缘片2b上面；接着将第二片绝缘片2b堆叠在第一片超导片1b上面，将第二片超导片1b有铁基涂层2-3的一面朝上，堆叠在第二片绝缘片2上面；然后将第三片绝缘片2堆叠在第二片超导片1b上面，将第三片超导片1b有铁基涂层2-3的一面朝上，堆叠在第三片绝缘片2b上面；以此类推，进行多层绝缘片2b与超导片1b的交互堆叠，最后将一片绝缘片2b堆叠在顶部，堆叠完毕，得到传导冷却超导磁体。堆叠时，保证各跑道形环片上下左右对齐。

(2)堆叠完毕后，上下加法兰3固定，法兰3的内短半轴为a₁，内长半轴b₁，外短半轴大于a₂，外长半轴大于b₂；法兰3上，在法兰的边缘区域均匀开四个半径较小的法兰定位孔4。上下法兰3的中心孔与超导片1和绝缘片2对齐，且上下法兰定位孔4上下对准。四根绝缘拉杆5的上下两端分别穿过上下对应的法兰定位孔4，并通过螺栓6固定，将多层超导片1b和绝缘片2b堆叠结构的超导磁体夹紧固定。

如图5所示为一种基于铁基涂层跑道形超导片的超导磁体，从下至上按照“绝缘片2b、超导片1b、绝缘片2b、超导片1b、绝缘片2b、超导片1b、绝缘片2b”的顺序，进行多片超导片1b和绝缘片2b的交互堆叠，得到跑道形超导磁体。

基于铁基涂层的D形超导片1c的加工制备方法(结合图3和图6)如下：

(1)如图3所示，衬底3-1的材料采用但不限于Ni、NiW、哈氏合金、不锈钢，首先制备出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r₃，外半径为r₄的D形半圆，制得如图3中3-1所示的衬底；

(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3-1上沉积缓冲层3-2，缓冲层3-2一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3-2上镀上铁基涂层3-3，接着在铁基涂层3-3上镀银或铜薄膜作为保护层3-4，得到内半径为r₃，外半径为r₄的D形半圆形片状的超导片，如图6中1所示。

绝缘片2c的加工制备方法如下。

绝缘片2c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。将绝缘片2c加工成内半径为r₃，外半径为r₄的D形半圆形片状结构。

然后将D形超导片1c和绝缘片2c交替布置形成超导磁体，保证超导磁体中，各D形片保持结构上下左右对齐；以及所有超导片1c的堆叠方向一致，即超导片1c有铁基涂层3-3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2c，将第一片超导片1c有铁基涂层3-3的一面朝上，堆叠在第一片绝缘片2c上面；接着将第二片绝缘片2c堆叠在第一片超导片1c上面，将第二片超导片1c有铁基涂层3-3的一面朝上，堆叠在第二片绝缘片2c上面；然后将第三片绝缘片2c堆叠在第二片超导片1c上面，将第三片超导片1c有铁基涂层3-3的一面朝上，堆叠在第三片绝缘片2c上面；以此类推，进行多层绝缘片2c与超导片1c的交互堆叠，最后将一片绝缘片2c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D形环片上下左右对齐。

(2)堆叠完毕后，上下加法兰3固定，在方形法兰3中间切割出内半径为r3的半圆，且其边长大于2倍的r4；法兰3上，在法兰的边角均匀开四个半径较小的法兰定位孔4。上下法兰3的中心孔与超导片1c和绝缘片2c对齐，且上下法兰定位孔4上下对准。四根绝缘拉杆5的上下两端分别穿过上下对应的法兰定位孔4，并通过螺栓6固定，将多层超导片1c和绝缘片2c堆叠结构的超导磁体夹紧固定。

如图6所示为一种基于铁基涂层D形超导片的超导磁体，从下至上按照“绝缘片2c、超导片1c、绝缘片2c、超导片1c、绝缘片2c、超导片1c、绝缘片2c”的顺序，进行多片超导片1和绝缘片2的交互堆叠，得到D形超导磁体。

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4、图5以及图6所示，将空心螺管线圈同心同轴地置入超导磁体的中心孔内，所述空心螺管线圈的尺寸大小要略小于法兰孔的尺寸，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相当于副边绕组。向空心螺管线圈通入交变电流i，控制电流频率，利用电磁感应使超导片感应出电流进而产生磁场。交变电流i的上升沿时间小于下降沿时间，电流波形采用三角波形，电流上升速率大于下降速率。在交变电流i上升过程中(如图7中t₁时间内)，各个超导片流过大小相等、逆时针方向的感应电流；在交变电流i下降过程中(图7中t₂时间内)，各个超导片流过大小相等、顺时针方向的感应电流。虽然交变电流i下降过程中产生的磁通相反，但不足以抵消交变电流i上升过程中产生的磁通量，从而在超导片中感应出逆时针方向的净超导电流。通过周期性地泵入交变电流i，使超导磁体的电流不断增大至期望值，此时切断交变电流i，超导片的电流保持恒定，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i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，一个超导磁体的尺寸略小于上述超导磁体的尺寸大小，将尺寸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 (8)

1.一种基于铁基涂层超导片的超导磁体，其特征在于，包括铁基涂层超导片和绝缘片，并且两者尺寸大小相同；所述超导片和绝缘片交替堆叠；所有超导片的堆叠方向保持一致；所述超导片包括圆形环片、跑道形环片和D形环片3种结构，3种形状不同的环片组成3种不同形状的超导磁体。

2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述超导片包括衬底和衬底上依次制备的缓冲层、铁基涂层、保护层；

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金属氧化物；

所述铁基涂层为AeFe₂As₂高场磁体材料，其中Ae为碱土元素；

所述保护层为铜薄膜层或银薄膜层。

3.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片为PPLP绝缘片、牛皮纸、有机绝缘薄膜或环氧薄片，绝缘片的大小与超导环片相同。

4.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，将所述超导磁体置入另一超导磁体孔内，得到组合嵌套式超导磁体，以此提供更强的磁场。

5.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述各超导片正反面朝向一致，上下端加法兰并通过螺栓固定，组成完整的圆环形片、跑道形片或D形环片组成3种不同形状的超导磁体。

6.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体的顶部和底部加法兰并通过螺栓加固，用绝缘拉杆将法兰连接固定。

7.权利要求1-6任一项所述基于铁基涂层超导片的超导磁体的应用，其特征在于，将所述超导磁体置于装有液氮的杜瓦容器中，所述杜瓦容器与制冷系统连接，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孔内，向所述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。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述空心螺管线圈的尺寸略小于超导片和绝缘片的中心孔尺寸，其轴向长度大于所述超导磁体的轴向长度。