CN109346264B - 一种基于环形超导片的导冷式超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于超导磁体应用领域的一种基于环形超导片的导冷式超导磁体。该超导磁体由环形超导片和绝缘Cu薄片由下至上交互堆叠构成，上下各加一片法兰，并通过绝缘拉杆连接固定而成。环形超导片和绝缘Cu薄片上设有定位孔，定位孔中放入磁通泵，超导磁体通过磁通泵励磁，无需电流引线和焊接电阻。绝缘Cu薄片两面涂有绝缘漆，其直径与环形超导片相同，且有径向切口。绝缘Cu片带有接头，直接与制冷机相连，采用导冷式冷却结构，具有更高的热稳定性。该超导磁体具有结构简单、稳定性高、可拆卸、绝缘处理容易的优点，能够实现超导磁体的闭环运行。

Description

一种基于环形超导片的导冷式超导磁体

技术领域

本发明属于超导磁体应用领域，特别涉及一种基于环形超导片的导冷式超导磁体。

背景技术

超导磁体技术在商业化应用方面日趋成熟，在医用领域MRI和强磁场领域获得了广泛应用。目前第二代高温超导带材的生产速度达到了200m/h，长度达到km量级。超导磁体可以通过绕制带材成双饼式或螺管式结构来制备，大型磁体需要的带材长度更长，随着长度的增加，带材成品率大幅降低，限制了高温超导磁体的广泛应用。采用超导带搭接方式可以实现足够长度的超导带材，但是无法实现无阻焊接，也无法实现超导磁体的闭环运行。

超导磁体一般采用处于常温的电源来励磁，电源通过电流引线通入超导磁体，引线和超导线之间的焊接电阻在通电时会产生功率损耗，产生的热量也提高了冷却成本，不利于磁体稳定性。此外，内部励磁法励磁完成后需取出磁通泵线圈，下一次励磁时需再放入线圈，操作繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于环形超导片的导冷式超导磁体，其特征在于，所述超导磁体是由绝缘Cu薄片和环形超导片交互堆叠而成，上下各加一片法兰片，通过绝缘拉杆无磁螺栓固定。

本发明基于超导片的不同形状分为两种实施方案，每一种实施方案基于定位孔与超导片内环的的位置关系分为三种结构，不同结构的超导磁体的组装方法相同，如下所述：定位杆穿过定位孔，首先放置好第一片绝缘Cu薄片，将第一片环形超导片对齐堆叠在第一片绝缘Cu薄片上面，定位孔位置对齐穿过定位杆。接着将第二片绝缘Cu薄片对齐堆叠在第一片环形超导片上面，将第二片环形超导片对齐堆叠在第二片绝缘Cu薄片上面。然后将第三片绝缘Cu薄片对齐堆叠在第二片环形超导片上面，像这样由下至上依次堆叠，堆叠完成后上下各加一片法兰片，法兰片上有尺寸和位置与环形超导片相同的定位孔，法兰片的内半径与环形超导片内半径相同，外半径大于环形超导片外半径，在大于超导片的区域对称开四个螺丝孔，通过绝缘拉杆和螺栓进行固定。固定好磁体后取出定位杆，在定位孔处插入磁通泵线圈，磁通泵线圈的引出线与外部电源的接头连接，形成完整的基于环形超导片的导冷式超导磁体。磁体运行时，铜片上的接头接制冷机的冷头，制冷机制冷提供超高运行的温度环境。

所述超导磁体采用导冷式冷却。

所述环形超导片上有定位孔，与绝缘Cu薄片堆叠成超导磁体后，在定位孔放入励磁磁通泵的线圈，磁通泵的线圈与外部脉冲电流源连接，实现磁体的超导闭环运行。

所述环形超导片上的定位孔尺寸远小于超导片尺寸，可以忽略定位孔对磁场均匀性的影响。

所述绝缘Cu薄片尺寸与环形超导片相同，其上分布有位置和大小与环形超导片相同的定位孔；绝缘Cu薄片有径向切口，双面涂绝缘漆，外接制冷机。

所述超导磁体基于超导片形状的不同分为两种结构，每种结构根据定位孔的位置又分为相交、相切、相离三种形式。

本发明的有益效果为：提供了一种基于环形超导片的导冷式超导磁体结构该超导磁体稳定性高、制造方便、结构简单、无弯曲半径限制，采用磁通泵励磁，无需电源和电流引线，且磁通泵线圈部分不用拆卸，操作简便，有助于实现超导磁体的闭环运行高场应用。

附图说明

图1为实施方案一中三种环形超导片示意图；

图2为实施方案二中三种环形超导片示意图；

图3为实施方案一中有径向切口的绝缘Cu薄片示意图；

图4为实施方案二中有径向切口的绝缘Cu薄片示意图；

图5为实施方案一中采用磁通泵励磁的导冷式超导磁体(相交型)模型示意图；

图6为实施方案二中采用磁通泵励磁的导冷式超导磁体(相交型)模型示意图；

图7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

本发明提供了一种基于环形超导片的导冷式超导磁体，下面结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的说明。

实施方案一：当需要的超导磁体内径尺寸较大，环形超导片的内外半径相差较小时，环形超导片制作时一侧要更宽一些，保证切出定位孔后环形超导片的整体宽度一致，具体方法如下：

首先按照环形超导片要求的径向宽度尺寸，在环形超导片的一侧留出凸出的宽度裕度，这一侧用于切割出放置磁通泵线圈的定位孔，定位孔的尺寸略大于线圈的外径尺寸。再根据定位孔位置将超导片分为三种结构，即相交型、相切型、相离型，相离型结构切孔与超导片的内部要划开以保证连通。最后在超导片上镀一层Cu，避免切面分层和超导层的氧化。

磁体采用导冷式冷却，组成磁体的绝缘Cu薄片截面尺寸和形状与环形超导片相同，只是一侧留有接头，接头直接接制冷机冷头，便于控制温度，使得磁体稳定性更好。绝缘Cu薄片上有径向切口，避免形成电流可流通的闭环，绝缘Cu片双面涂有绝缘漆，用于间隔超导片。

实施方案二：当需要的超导磁体内径尺寸较小，环形超导片的内外半径相差较大时，在超导环片的内径一侧切出定位孔，具体方法如下：

首先按照环形超导片要求的尺寸，采用成熟的现有切割工艺在环形超导片内径一侧切出固定用的定位孔，定位孔的尺寸略大于线圈部分的外径尺寸。再根据定位孔的位置将超导片分为相交型、相切型、相离型，然后将相离型超导片定位孔中心和超导环圆心之间连线上的部分切开，使其切孔与超导片的内部连通。最后在超导片上镀一层Cu，避免切面分层和超导层的氧化。由于环形超导片的宽度很大，且切孔的尺寸远小于超导片的尺寸，可以近似认为切孔对超导片没有影响。

组成磁体的绝缘Cu薄片截面尺寸和形状与环形超导片相同，采用导冷式冷却，绝缘Cu薄片上有径向切口，双面涂有绝缘漆，用于间隔超导片。绝缘Cu薄片在一侧留有接头，接头直接接制冷机冷头，便于控制温度，磁体稳定性更好。

采用超导磁通泵技术向超导磁体供电，磁通泵由脉冲电源和螺管线圈组成。磁通泵线圈采用空心线圈，线圈的外尺寸略小于环形超导片定位孔的尺寸，线圈高度大于超导磁体高度。磁通泵螺管线圈插入到超导磁体相应的定位孔，并被固定在磁体上。线圈可以双层绕制(注意线圈绕制方向，保证为有感线圈)，并从一端引出两个接头用以接入外部电源，控制线圈绕制方向，保证为有感线圈。

磁通泵外部电流源采用脉冲电流，电流波形要求上升沿时间远小于下降沿时间。励磁进行过程中，每个电流脉冲周期的励磁都能使超导磁体的磁场增加，当超导磁体的磁场达到要求时，只需断开外部电源，无需撤去磁通泵。超导状态电流保持恒定，维持一个稳定的磁场。

超导磁体结构的组装方法如下所述：构成超导磁体的环形超导片可近似看作为圆环形，同一磁体绝缘Cu薄片的形状、尺寸与环形超导片相同，且含有位置、大小与超导环片相同的定位孔，且绝缘Cu薄片一侧同一位置有制冷接头，组装时要对齐。定位杆穿过定位孔，首先放置好第一片绝缘Cu薄片，将第一片环形超导片对齐堆叠在第一片绝缘Cu薄片上面，定位孔位置对齐穿过定位杆。接着将第二片绝缘Cu薄片对齐堆叠在第一片环形超导片上面，将第二片环形超导片对齐堆叠在第二片绝缘Cu薄片上面。然后将第三片绝缘Cu薄片对齐堆叠在第二片环形超导片上面，像这样由下至上依次堆叠。

堆叠完成后上下各加一片法兰片，法兰片上有尺寸和位置与环形超导片相同的定位孔，法兰片的内半径与环形超导片内半径相同，外半径大于环形超导片外半径，在大于超导片的区域对称开四个螺丝孔，通过绝缘拉杆和螺栓进行固定。固定好磁体后取出定位杆，在定位孔处插入磁通泵线圈，磁通泵线圈引出线与外部电源的接头连接，形成完整的基于环形超导片的导冷式超导磁体。磁体运行时，铜片上的接头接制冷机的冷头，制冷机制冷提供超高运行的温度环境。

图1为实施方案一中三种环形超导片的示意图，当需要的环形超导片内径尺寸r₁较大，内外半径相差r₁₂较小时，环形超导片的制作采用实施方案一。具体的实施过程为：首先按照环形超导片要求的径向宽度尺寸，设计制作出环形超导片一侧更宽，切割出如图1所示一侧多出一些的环形超导片，在半径较大的这一侧切割出定位孔，并保证切孔后环片的整体宽度一致(r₁₂＝r₁₂＇)。定位孔的直径d₁要大于将来放置的磁通泵线圈的直径。根据定位孔和环形超导片内环的位置关系，将环形超导片分为相交(图1a所示)、相切(图1b所示)和相离(图1c所示)三种形式。相切和相离形式的环形超导片，需要将定位孔中心和环形超导片圆心之间连线上连接的超导部分切开，使定位孔与环形超导片内部连通。最后在环形超导片上镀一层铜，防止切面分层和超导层的氧化。由于环形超导片的电流有效宽度没有减小(r₁₂＝r₁₂＇)，且定位孔的尺寸远小于超导片的尺寸(d₁<<r₁<r₂)，仍可以将超导片看作圆环形。

图2为实施方案二中三种环形超导片的示意图，当需要的环形超导片内径尺寸r₃较小，内外半径相差r₃₄较大时，超导片的制作采用实施方案二。具体的实施过程为：首先按照环形超导片要求的径向宽度尺寸，制作出环形超导片，利用现有的切割技术在环形超导片一侧切割出如图2所示的定位孔，定位孔的直径d₁要大于将来放置的磁通泵线圈的直径。根据定位孔和超导片内环的位置关系，实施方案二制作的环形超导片可以分为相交(图2a所示)、相切(图2b所示)和相离(图2c所示)三种形式。定位孔相切5和相离6形式的环形超导片，需要将定位孔中心和环形超导片圆心之间连线上连接的超导部分切开，使定位孔与环形超导片内部连通。最后在环形超导片上镀一层铜，防止切面分层和超导层的氧化。由于定位孔的尺寸远小于超导片的尺寸(d₁<<r₃₄)，环形超导片的半径近似是均匀的(r₃₄＝r₃₄＇)，仍可以将超导片看作圆环形。

图3为实施方案一中所用绝缘Cu薄片的结构示意图，绝缘Cu薄片外表面均涂有绝缘漆并保证有径向切口防止形成闭环。根据定位孔与绝缘Cu薄片内环的关系可分为相交型(图3a所示)、相切型(图3b所示)、和相离型(图3c所示)，其形状与相应的环形超导片相同，绝缘Cu薄片外半径等于环形超导片外半径，但绝缘Cu薄片一侧多出一个接头，用于连接制冷机冷头。

图4为实施方案二中绝缘Cu薄片示意图，绝缘Cu片外表面均涂有绝缘漆，且绝缘Cu薄片上有径向切口防止形成闭环电流回路。绝缘Cu薄片的形状、尺寸大小与相应的环形超导片相同，组成磁体时对齐叠放在一起。绝缘Cu薄片根据定位孔的位置分为相交型(图4a所示)、相切型(图4b所示)和相离型(图4c所示)，对应于实施方案二中的环形超导片形状。绝缘Cu薄片一侧设有接头，用于连接制冷机冷头。

由实施方案一制作的相交型的环形超导片和绝缘Cu薄片所构成的超导磁体结构图如图5所示，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将绝缘Cu薄片的定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘Cu薄片7(图3a中所示7)，将第一片环形超导片1(图1a中所示1)的定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘Cu薄片7(图3a中所示7)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第二片绝缘Cu薄片7(图3a中所示7)堆叠在第一片环形超导片1(图1a中所示1)上面，再将第二片环形超导片1(图1a中所示1)堆叠在第二片绝缘Cu薄片7(图3a中所示7)上面。然后将第三片绝缘Cu薄片7(图3a中所示7)堆叠在第二片环形超导片1(图1a中所示1)上面，依次类推，由下至上一片片地完成环形超导片和绝缘Cu薄片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片13固定，法兰片的内半径与环形超导片相同，法兰片上有位置、大小与环形超导片相同的切孔。法兰片的外部尺寸要大于环形超导片外部尺寸，在大于的区域对称开四个定位孔14，通过绝缘拉杆15和螺栓16进行固定。抽出定位杆，插入磁通泵的线圈的空心螺线管17，引出磁通泵外部电源接头，即可组装成实施方案一中的相交型超导磁体。在实施方案一中，相切型磁体和相离型磁体仅环形超导片结构、绝缘Cu薄片结构与相交型超导磁体不同，其装配步骤与相交型超导磁体相同。

图6所示为实施方案二制作的相交型超导磁体，由相交型环形超导片和绝缘Cu薄片交互堆叠构成，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将绝缘Cu薄片的定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘Cu薄片10(图4a中所示10)，将第一片环形超导片4(图2a中所示4)的定位孔穿过定位杆，堆叠在第一片绝缘Cu薄片10(图4a中所示10)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第二片绝缘Cu薄片10(图4a中所示10)堆叠在第一片环形超导片4(图2a中所示4)上面，再将第二片环形超导片4(图2a中所示4)堆叠在第二片绝缘Cu薄片10上面。然后将第三片绝缘Cu薄片10堆叠在第二片环形超导片4(图2a中所示4)上面，依次类推，由下至上一片片地完成环形超导片和绝缘Cu薄片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片13固定，法兰片的内半径与环形超导片相同，法兰片上有位置、大小与环形超导片相同的切孔，法兰片的外部尺寸大于环形超导片外部尺寸，在大于的区域对称开四个定位孔14，通过绝缘拉杆15和螺栓16进行固定。励磁磁通泵的线圈为空心螺线管，最后抽出定位杆，插入磁通泵的线圈部分的空心螺线管17，引出磁通泵外部电源18接头，即可组装成实施方案二中的相交型超导磁体。在实施方案二中，相切型磁体和相离型磁体仅环形超导片结构、绝缘Cu薄片结构与相交型超导磁体不同，其装配步骤与相交型超导磁体相同。

两种实施方案下，超导磁体的绝缘Cu薄片通过接头19接制冷机的冷头，实现导冷式冷却，超导磁体的整个励磁过程需保持低温制冷系统的正常运行，以保证环形超导片运行在超导状态。

超导磁体采用磁通泵励磁技术，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，超导磁体的定位孔尺寸大于螺管线圈的外环尺寸，螺管线圈同心同轴地插入定位孔，外接交流电源18。通过外部电源在螺管线圈中输入脉冲电流，对超导磁体励磁。外接电流源的交变电流波形不限，上升速率应当远大于下降速率。

图7所示电流波形为三角波形状示例(t₁<<t₂)。通过在螺管线圈中周期性地泵入交变电流，就可以使环形超导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，无需取出磁通泵的线圈，环形超导片上流过的电流保持恒定，超导磁体维持一个稳定的强磁场。

Claims (3)

1.一种基于环形超导片的导冷式超导磁体，其特征在于，所述超导磁体的组装方式为：将定位杆穿过定位孔，放置好第一片绝缘Cu薄片，将第一片环形超导片定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘Cu薄片上面；将第二片绝缘Cu薄片对齐堆叠在第一片环形超导片上面，将第二片环形超导片对齐堆叠在第二片绝缘Cu薄片上面；将第三片绝缘Cu薄片对齐堆叠在第二片环形超导片上面，依次类推，由下至上依次完成环形超导片和绝缘Cu薄片的交互堆叠后，抽出定位杆，上下各加一片法兰片，通过绝缘拉杆和螺栓进行固定；

所述环形超导片上有定位孔，与绝缘Cu薄片堆叠成超导磁体后，将励磁磁通泵的线圈放入定位孔并固定在超导磁体上，线圈接入外部脉冲电流源进行励磁，实现磁体的超导闭环运行；

所述绝缘Cu薄片尺寸与环形超导片相同，其上分布有位置和大小与环形超导片相同的定位孔；绝缘Cu薄片有径向切口，双面涂绝缘漆，外接制冷机；

所述超导磁体基于超导片形状的不同分为两种结构：当环形超导片的内外半径相差较小时，制作出一侧更宽的环形超导片，在半径较大的一侧切割出定位孔，保证切孔后的环形超导片整体宽度一致；当环形超导片的内外半径相差较大时，制作出环形超导片，在环形超导片一侧切割出定位孔，定位孔的直径大于放置的磁通泵线圈的直径；

所述超导磁体的结构基于定位孔与超导环片内环的位置关系分为相交、相切、相离三种形式；

所述相交为定位孔与超导环片内环二者所在圆的外径交点个数大于1；

所述相切为定位孔与超导环片内环二者所在圆的外径仅有1个交点；

所述相离为定位孔与超导环片内环二者所在圆的外径无交点。

2.根据权利要求1所述的一种基于环形超导片的导冷式超导磁体，其特征在于，所述超导磁体采用导冷式冷却。

3.根据权利要求1所述的一种基于环形超导片的导冷式超导磁体，其特征在于，所述环形超导片上的定位孔尺寸远小于超导片尺寸，可以忽略定位孔对磁场均匀性的影响。

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