CN109346262B - 一种基于ReBCO超导环片的超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于超导磁体应用技术领域的一种基于ReBCO超导环片的超导磁体。该超导磁体包括1组或多组交替堆叠的N片超导环片、N+1片绝缘片，堆叠后经固定装置固定形成；其中N为正整数，N片超导环片均为方形环片或跑道形环片，N+1片绝缘片形状、尺寸与N片ReBCO超导环片均相同。本发明超导磁体内部各个ReBCO超导环片之间无需焊接、无需电源和电流引线，具有结构紧凑、可拆卸、稳定性高、制备工艺简单的优点，能稳定输出强磁场，拓展了ReBCO超导体应用于强磁场的范围，能够广泛应用于中大型超导磁体、热核聚变反应。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体应用技术领域，特别涉及一种基于ReBCO超导环片的超导磁体。
背景技术
强磁场是科学研究的重要极端条件，研究不同磁场强度的强磁场试验装置，提供不同的实验条件，对科学技术的发展有重要的意义。ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层导体，具有上临界磁场高、临界电流密度大、交流损耗低等优点。ReBCO超导体在强磁场中具有较高的载流能力，应用于大型超导磁体装置、高能加速器、核聚变磁体、超导电机等各个领域。目前实用的高温超导线材都是带状，高温超导磁体常用超导带材绕制成双饼式或螺管式结构。
ReBCO超导材料大多制作为ReBCO超导带材，常用的制备工艺金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法。ReBCO超导带材常应用于高场磁体线圈，15T以上的磁体多用ReBCO超导带材绕制，但是ReBCO超导带材通常采用双饼式或层绕式，不可避免的ReBCO超导带材的接头处需要焊接，目前由于焊接工艺不成熟，导致ReBCO超导磁体无法实现闭环运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ReBCO超导环片的超导磁体，具体技术方案如下：
一种基于ReBCO超导环片的超导磁体包括1个或多个堆叠体，所述堆叠体由N片ReBCO超导环片、N+1片绝缘片交替堆叠、固定得到；其中N为正整数；
其中，N片ReBCO超导环片均为方形环片或跑道形环片，N+1片绝缘片形状、尺寸与N片ReBCO超导环片均相同。
其中，方形环片或跑道形环片的内部切割有位置相离的2个圆孔，其中2个圆孔通过狭缝连通；或所述方形环片或跑道形环片的内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔，其中跑道形孔和圆孔通过狭缝连通。
其中，方形环片或跑道形环片优选为轴对称环片。
其中，位置相离的2个圆孔半径相等或不等，所述跑道形孔的两端半圆半径和与其位置相离的圆孔半径相等或不等。
其中，N片ReBCO超导环片共有2种方形环片、2种跑道形环片即4种结构，分别与形状、尺寸完全相同的绝缘片水平或垂直依次堆叠，将所得1个堆叠组或多个堆叠组由固定装置固定，得到多种不同结构的超导磁体。
其中，ReBCO超导环片由自下至上依次排列的衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层组成；其中，衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢，缓冲层材料为绝缘性金属氧化物，保护层为银薄膜保护层或铜薄膜保护层。
其中，缓冲层利用离子束辅助沉积技术或倾斜基底沉积技术沉积得到，ReBCO薄膜利用金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积法或溅射法沉积得到。
其中，超导磁体中的N片ReBCO超导环片的堆叠方向均一致。
其中，超导磁体中的绝缘片为有机绝缘片、牛皮纸或环氧薄片。
其中，固定装置材料为不锈钢、环氧玻璃钢或环氧树脂；固定装置包括法兰、螺栓和螺母。
其中，超导磁体利用磁通泵内部励磁，磁通泵包括脉冲电源和空心螺管线圈；具体为：将空心螺管线圈置入超导磁体内部孔内，脉冲电源提供交变电流，通过周期性励磁使超导磁体环片感应出电流，使得超导磁体磁场不断增大至期望值，然后关闭脉冲电流，超导磁体的电流保持恒定，维持稳定的磁场。
其中，超导磁体采用液氮浸泡冷却的方式进行冷却。
其中，所述空心螺管线圈的外半径小于超导环片的一个内部孔半径。
其中，多个堆叠体沿环向组成的超导磁体为立式或卧式，多个堆叠体均匀分布。
对于本发明提供的具有相离2个圆孔的ReBCO超导环片，只需在一侧的圆孔中插入螺线管进行整体的磁体励磁，在另一侧的圆孔中监测实际磁体的磁场值。而对于具有相离跑道形孔、圆孔的ReBCO超导环片，直接在一侧的圆孔中的插入螺线管进行励磁，在跑道形孔中产生稳定的强磁场，可以直接用于实际的超导旋转电机中，无需利用外部的永磁体进行励磁。因此，本发明超导磁体能够适用于不同的需要场合，在实际磁体的运行中，无需撤去螺线管，避免人为操作，磁体就可以产生稳定的磁场值。
本发明的有益效果为：本发明提供的超导磁体内部各个ReBCO超导环片之间无需焊接、无需电源和电流引线，具有结构紧凑、可拆卸、稳定性高、制备工艺简单的优点；所得超导磁体通过磁通泵内部励磁的方式实现无电阻的闭环运行，具有较高磁体载流能力，结构紧凑、损耗小，能在强磁场下稳定运行、稳定输出强磁场，拓展了ReBCO超导体应用于强磁场的范围，能够广泛应用于中大型超导磁体、热核聚变反应。
附图说明
附图1为ReBCO超导薄片的结构示意图；
标号说明：1-ReBCO超导薄片；101-衬底；102-缓冲层；103-ReBCO薄膜；104-保护层；
附图2为ReBCO超导环片结构示意图；
标号说明：201-第Ⅰ圆孔；202-第Ⅱ圆孔；203-第Ⅰ狭缝；204-第Ⅲ圆孔；205-第Ⅰ跑道形孔；206-第Ⅱ狭缝；207-第Ⅳ圆孔；208-第Ⅴ圆孔；209-第Ⅲ狭缝；210-第Ⅵ圆孔；211-第Ⅱ跑道形孔；212-第Ⅳ狭缝；
附图3为绝缘片结构示意图；
附图4为实施例4超导磁体结构示意图；
附图5为实施例5超导磁体结构示意图；
附图6为实施例6超导磁体结构示意图；
附图7为实施例7超导磁体结构示意图；
附图8为实施例8超导磁体结构示意图；
附图9为实施例9超导磁体结构示意图；
附图10为实施例10超导磁体结构示意图；
附图11为实施例11超导磁体结构示意图；
标号说明：4-法兰；5-定位孔；6-螺栓；7-螺母；8-空心螺管线圈；9-脉冲电源；10-固定装置；Ⅰ-ReBCO方形超导环片Ⅰ；Ⅱ-ReBCO方形超导环片Ⅱ；Ⅲ-ReBCO跑道形超导环片Ⅲ；Ⅳ-ReBCO跑道形超导环片Ⅳ；Ⅴ-方形绝缘片Ⅴ；Ⅵ-方形绝缘片Ⅵ；Ⅶ-跑道形绝缘片Ⅶ；Ⅷ-跑道形绝缘片Ⅷ。
具体实施方式
本发明提供了一种基于ReBCO超导环片的超导磁体，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
制备如附图1所示的ReBCO超导薄片，具体过程如下：
(1)采用与第二代高温超导涂层相同的衬底材料制作出片状衬底101，其中衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢；
(2)在衬底101上，采用第二代高温超导缓冲层制备工艺沉积缓冲层102，其中缓冲层为绝缘性金属氧化物；
(3)在缓冲层102上，采用第二代高温超导薄膜涂层技术镀上ReBCO薄膜103；
(4)在ReBCO薄膜103上镀上保护层104，其中保护层104为银薄膜保护层或铜薄膜保护层，即得到ReBCO超导薄片1。
其中第二代高温超导缓冲层制备工艺为离子束辅助沉积技术(IBAD)或倾斜基底沉积(ISD)技术；所述第二代高温超导薄膜涂层技术为金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法。
实施例2
制备如图2所示的ReBCO方形超导环片，具体过程如下：
其中，图2-a所示内部切割有位置相离2个圆孔的ReBCO方形超导环片Ⅰ具体制备过程为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为长度为a、宽度为b的方形片，然后在方形片内部优选中心位置切割出位置相离的半径为r1的第Ⅰ圆孔201和半径为r2的第Ⅱ圆孔202，同时在第Ⅰ圆孔201和第Ⅱ圆孔202圆心连线处切割出宽度为w1，长度为l1的第Ⅰ狭缝203，以连通第Ⅰ圆孔201和第Ⅱ圆孔202，即得到如图2-a所示的ReBCO方形超导环片Ⅰ。
其中，图2-b所示的内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔的ReBCO方形超导环片Ⅱ具体制备过程为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为长度为a、宽度为b的方形片，在方形片内部优选中心位置切割出位置相离的第Ⅲ圆孔204和第Ⅰ跑道形孔205，其中第Ⅲ圆孔204半径为r3，第Ⅰ跑道形孔205内短半轴为m1、内长半轴n1；同时在第Ⅲ圆孔204和第Ⅰ跑道形孔205之间切割出宽度为w2，长度为l2的第Ⅱ狭缝206，以连通第Ⅲ圆孔204和第Ⅰ跑道形孔205，即得到如图2-b所示的ReBCO方形超导环片Ⅱ。
其中，图2-c所示的内部切割有位置相离2个圆孔的ReBCO跑道形超导环片Ⅲ具体制备为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为外短半轴e、外长半轴为f的跑道形片，然后在跑道形片内部优选中心位置切割出位置相离的半径为r4的第Ⅳ圆孔207和半径为r5的第Ⅴ圆孔208，同时在第Ⅳ圆孔207和第Ⅴ圆孔208圆心连线处切割出宽度为w3，长度为l3的第Ⅲ狭缝209，以连通第Ⅳ圆孔207和第Ⅴ圆孔208，即得到如图2-c所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅲ。
其中，图2-d所示的内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔的ReBCO跑道形超导环片Ⅳ具体制备为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为外短半轴e、外长半轴为f的跑道形片，在跑道形片内部优选中心位置切割出位置相离的第Ⅵ圆孔210和第Ⅱ跑道形孔211，其中第Ⅵ圆孔210半径为r6，第Ⅱ跑道形孔211内短半轴为m2、内长半轴n2；同时在第Ⅵ圆孔210和第Ⅱ跑道形孔211之间切割出宽度为w4，长度为l4的第Ⅳ狭缝212，以连通第Ⅵ圆孔210和第Ⅱ跑道形孔211，即得到如图2-d所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅳ。
其中，ReBCO方形超导环片Ⅰ、ReBCO方形超导环片Ⅱ、ReBCO跑道形超导环片Ⅲ、ReBCO跑道形超导环片Ⅳ优选为轴对称环片；各部分尺寸要求如下：a、b相等或不等，r1、r2、r3、r4、r5、r6相等或不等，w1、w2、w3、w4、l1、l2、l3、l4相等或不等，m1、m2相等或不等，n1、n2相等或不等。
实施例3
制备如图3所示的绝缘片：将有机绝缘薄膜如PPLP绝缘材料薄膜、牛皮纸或环氧薄片切割为同实施例2所示超导环片形状、尺寸完全相同的绝缘片。
其中，图3-a为与图2-a所示的ReBCO方形超导环片Ⅰ形状、尺寸完全相同的方形绝缘片Ⅴ；图3-b为与图2-b所示的ReBCO方形超导环片Ⅱ形状、尺寸完全相同的方形绝缘片Ⅵ；图3-c为与图2-c所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅲ形状、尺寸完全相同的跑道形绝缘片Ⅶ；图3-d为与图2-d所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅳ形状、尺寸完全相同的跑道形绝缘片Ⅷ。
实施例4
制备如图4所示的超导磁体，具体为：
(1)先水平放置第1片方形绝缘片Ⅴ，将第1片ReBCO方形超导环片Ⅰ堆叠在第1片方形绝缘片Ⅴ上方，堆叠时上下、左右完全对齐；
(2)由下至上，依次堆叠第2片方形绝缘片Ⅴ、第2片ReBCO方形超导环片Ⅰ、……、第N片方形绝缘片Ⅴ、第N片ReBCO方形超导环片Ⅰ、第N+1片方形绝缘片Ⅴ，完成绝缘片和超导环片的交替堆叠；其中N片ReBCO方形超导环片Ⅰ的堆叠方向均一致，即衬底101均朝上或朝下；
(3)堆叠完成后，上下加法兰4固定，并通过4个定位孔5，用螺栓6、螺母7将超导环片、绝缘片压紧固定形成超导磁体；其中法兰4内部开孔与堆叠体内部孔的尺寸、大小完全相同；
(4)采用磁通泵通过内部励磁的方式实现超导磁体的闭环运行，具体为：磁通泵采用空心螺管线圈8，将空心螺管线圈8同心同轴地插入超导磁体内部孔201或202内，脉冲电源9为空心螺管线圈8提供交变电流，其中输出电流波形上升沿时间远小于下降沿时间；通过周期性励磁的方式进行，其中每个周期励磁都使超导磁体的磁场增加，只需在另一侧的圆孔中监测实际磁体的磁场值，当超导磁体的磁场达到要求时，无需撤去螺线管，关闭脉冲电源即能使得超导片的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场。
其中空心螺管线圈8的外半径小于超导磁体的内部孔201或202半径，空心螺管线圈8高度大于超导磁体的高度。
磁通泵通过周期性励磁使超导磁体磁场不断增大至期望值，超导磁体的电流保持恒定，维持稳定的磁场。
实施例5
制备如图5所示的卧式超导磁体，具体为：
(1)先垂直放置第1片方形绝缘片Ⅴ，将第1片ReBCO方形超导环片Ⅰ垂直堆叠在第1片方形绝缘片Ⅴ右侧或左侧，堆叠时上下、左右完全对齐；
(2)由左至右或由右至左，依次垂直堆叠第2片方形绝缘片Ⅴ、第2片ReBCO方形超导环片Ⅰ、……、第N片方形绝缘片Ⅴ、第N片ReBCO方形超导环片Ⅰ、第N+1片方形绝缘片Ⅴ，完成绝缘片和超导环片的交替堆叠；其中N片ReBCO方形超导环片Ⅰ的堆叠方向均一致；
(3)堆叠后，利用法兰、螺栓、螺母固定得到堆叠体；
(4)按照步骤(1)～(2)相同方法得到4个相同的堆叠体；用固定装置10，将4个相同的堆叠体利用环氧板进行沿环向固定，形成完整的卧式超导磁体，也可以是立式超导磁体；
(5)采用磁通泵通过内部励磁的方式实现超导磁体的闭环运行，具体为：磁通泵采用空心螺管线圈8，将空心螺管线圈环向螺绕地插入超导磁体内部孔201或202内，脉冲电源9为空心螺管线圈8提供交变电流，输出电流波形上升沿时间远小于下降沿时间，通过周期性励磁的方式进行，其中每个周期励磁都使超导磁体的磁场增加，当超导磁体的磁场达到要求时，关闭脉冲电源超导片的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场。
实施例6
按照与实施例4相同的方法，堆叠方形绝缘片Ⅵ与方形超导环片Ⅱ，并固定得到如图6所示的超导磁体。
实施例7
按照与实施例5相同的方法，堆叠方形绝缘片Ⅵ与方形超导环片Ⅱ，并固定得到如图7所示的超导磁体。
实施例8
按照与实施例4相同的方法，堆叠跑道形绝缘片Ⅶ与跑道形超导环片Ⅲ，并固定得到如图8所示的超导磁体，其中空心螺管线圈8的线圈截面可以采用跑道形截面。
实施例9
按照与实施例5相同的方法，堆叠跑道形绝缘片Ⅶ与跑道形超导环片Ⅲ，并固定得到如图9所示的超导磁体。
实施例10
按照与实施例4相同的方法，堆叠跑道形绝缘片Ⅷ与跑道形超导环片Ⅳ，并固定得到如图10所示的超导磁体，其中空心螺管线圈8的线圈截面可以采用跑道形截面。
实施例11
按照与实施例5相同的方法，堆叠跑道形绝缘片Ⅷ与跑道形超导环片Ⅳ，并固定得到如图11所示的超导磁体。
实施例6、7、10、11所得超导磁体利用磁通泵技术励磁时，将空心螺管线圈置入圆形内部孔内。
Claims (8)
1.一种基于ReBCO超导环片的超导磁体，其特征在于，包括1个或多个堆叠体，所述堆叠体由N片ReBCO超导环片、N+1片绝缘片交替堆叠、固定得到；其中N为正整数；
所述N片ReBCO超导环片均为方形环片或跑道形环片，N+1片绝缘片形状、尺寸与N片ReBCO超导环片均相同；
所述方形环片或跑道形环片的内部切割有位置相离的2个圆孔，其中2个圆孔通过狭缝连通；对于具有相离2个圆孔的ReBCO超导环片，只需在一侧的圆孔中插入螺线管进行整体的磁体励磁，在另一侧的圆孔中监测实际磁体的磁场值；
或所述方形环片或跑道形环片的内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔，其中跑道形孔和圆孔通过狭缝连通；对于具有相离跑道形孔、圆孔的ReBCO超导环片，直接在一侧的圆孔中的插入螺线管进行励磁，在跑道形孔中产生稳定的强磁场；
所述超导磁体利用磁通泵内部励磁，磁通泵包括脉冲电源和空心螺管线圈；具体为：将空心螺管线圈置入超导磁体内部一侧圆孔内，脉冲电源提供交变电流，通过周期性励磁使超导磁体环片感应出电流，使得超导磁体磁场不断增大至期望值，然后关闭脉冲电流，超导磁体的电流保持恒定，维持稳定的磁场。
2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述方形环片或跑道形环片为轴对称环片。
3.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述位置相离的2个圆孔半径相等或不等，所述跑道形孔的两端半圆半径和与其位置相离的圆孔半径相等或不等。
4.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述ReBCO超导环片由自下至上依次排列的衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层组成；
所述衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢；
所述缓冲层为绝缘性金属氧化物；
所述保护层为银薄膜保护层或铜薄膜保护层；
所述缓冲层利用离子束辅助沉积技术或倾斜基底沉积技术沉积，所述ReBCO薄膜利用金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积法或溅射法沉积。
5.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述N片ReBCO超导环片的堆叠方向一致。
6.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片为有机绝缘片、牛皮纸或环氧薄片，固定装置材料为不锈钢、环氧玻璃钢或环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述空心螺管线圈的外半径小于超导环片的一个内部孔半径。
8.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述多个堆叠体沿环向组成的超导磁体为立式或卧式，多个堆叠体均匀分布。
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Granted publication date: 20210108 Termination date: 20210929 |
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