CN112041947B - 部分绝缘hts线圈 - Google Patents

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Abstract

一种高温超导HTS励磁线圈。所述HTS励磁线圈包括多个线匝和部分绝缘层。所述多个线匝包括HTS材料和金属稳定剂。所述部分绝缘层将线匝分开，从而可以经由所述部分绝缘层在线匝之间共享电流。所述部分绝缘层包括导电层、以及第一绝缘层和第二绝缘层。所述导电层在一面上涂覆有所述第一绝缘层并且在另一面上涂覆有所述第二绝缘层。每个绝缘层具有一个或多个窗口，通过所述一个或多个窗口可以在线匝和所述导电层之间形成电接触。所述第一绝缘层中的窗口在导电带的平面中与所述第二绝缘层中的窗口进行偏移。

Description

部分绝缘HTS线圈
技术领域
本发明涉及HTS磁体。
背景技术
产生聚变功率的挑战非常复杂。除了托卡马克之外，已经提出了许多备选设备，但是没有一种能产生与目前运行的最佳托卡马克(例如，JET)类似的任何结果。
在作为有史以来最大和最昂贵(约150亿欧元)的托卡马克的ITER的建造开始之后，世界性的聚变研究已经进入了新阶段。通往商业性的聚变反应堆的成功途径要求长脉冲、稳定的运行以及使电力生产经济所需的高效率。这三个条件很难同时实现，所计划的日程将需要对ITER和其他聚变设施进行许多年的实验研究以及理论和技术研究。普遍预计的是通过这种途径开发的商业性的聚变反应堆将不会在2050年之前建成。
为了获得经济的功率生成所需要的聚变反应(即，功率输出远多于功率输入)，传统的托卡马克必须十分巨大(例如，ITER)，使得能量约束时间(其大致与等离子体体积成比例)可以足够大，以致于等离子体可以热到足以产生热聚变。
WO2013/030554描述了备选方法，其涉及用作中子源或能量源的紧凑的球状托卡马克的使用。球状托卡马克中的低环径比高宽比等离子体形状改善了粒子约束时间且允许在远远更小的机器中的净功率生成。然而，小直径的中心柱却是必需品，这对等离子体约束磁体的设计提出了挑战。高温超导体(HTS)励磁线圈是用于此类磁体的有前途的技术。
HTS磁体的另一个潜在用途是在质子束治疗设备中。质子束疗法(PBT，也被称为质子治疗)是一种用于癌症(以及对放射治疗有反应的其他状况)的治疗的粒子疗法。在PBT中，质子束被指向治疗部位(例如，肿瘤)。
另一种类似的疗法是质子硼捕获疗法(PBCT)，其中，将硼-11引入目标部位，并且使用质子束引发p+11B→3α反应。可以使用相同的装置提供用于PBT或PBCT的质子束。
用于PBT和PBCT的质子束由诸如回旋加速器或线性加速器之类的粒子加速器生成。通常被用于PBT和PBCT的加速器通常会产生能量在60MeV到250MeV范围内的质子，而目前运行的最强大的设施具有400MeV的最大能量。
从广义上讲，PBT设备存在允许束角度的改变的两种设计。在第一种设计中，如图7所示，加速器3001被安装在机架3002上，其允许加速器3001围绕患者3003(通常绕水平轴)旋转。患者被放置在可移动的床3004上，其提供了另外的自由度(例如，平移运动和绕竖直轴的旋转)。
在图8中示出第二种设计。加速器4001是静止的，并且束经由控制磁体4002(通常包括四极磁体和偶极磁体)被指向患者，控制磁体4002中的至少一些控制磁体位于机架4003上，使得束可以围绕患者4004(例如，围绕水平轴)旋转。患者被放置在可移动的床4005上。
任一设计均要求机架保持能够操纵可能高达400MeV的束能量的质子的电磁体。这需要非常高的磁场，因此使用HTS磁体可以大大减少电磁体和移动它们所需的机架的质量和尺寸。HTS磁体可以被用在加速器、控制(steering)磁体的四极磁体或控制磁体的偶极磁体之中。
超导材料通常被划分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。LTS材料例如Nb和NbTi是可以通过BCS理论描述其超导性的金属或金属合金。所有低温超导体都具有低于约30K的临界温度(即使在零磁场中，高于该温度，材料也不可以是超导的)。BCS理论并未描述HTS材料的性能，并且此类材料可能具有高于约30K的临界温度(但是应注意的是，成分和超导操作的实际差异而不是临界温度定义了HTS材料和LTS材料)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如，BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常为Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷属元素化物(例如，FeAs和FeSe)和二硼化镁(MgB2)。
ReBCO通常被制造为带状物，具有如图1所示的结构。这种带状物100通常约为100微米厚，并且包括衬底101(通常是约为50微米厚的经电抛光的哈斯特合金)，通过IBAD、磁控溅射或另一种合适的技术在其上沉积约为0.2微米厚的被称为缓冲堆叠102的一系列的缓冲层。(通过MOCVD或另一种合适的技术沉积的)外延ReBCO-HTS层103覆盖缓冲堆叠，并且通常为1微米厚。通过溅射或另一种合适的技术将1-2微米的银层104沉积在HTS层上，并且通过电镀覆或另一种合适的技术将铜稳定剂层105沉积在带状物上，铜稳定剂层105通常完全封装所述带状物。
衬底101提供了机械主干，该机械主干可以通过生产线进行输送并且允许后续层的生长。需要缓冲堆叠102来提供在其上生长HTS层的双轴带纹理的晶体模板，并且防止损坏其超导特性的元素从衬底到HTS的化学扩散。需要银层104来提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下，稳定剂层105提供备选的电流路径。
另外，可以制造“片状剥离的”HTS带状物，其缺少衬底和缓冲堆叠，而是在HTS层的两个面上都具有银层。具有衬底的带状物将被称为“带衬底的”HTS带状物。
HTS带状物可以被布置在HTS电缆中。HTS电缆包括一个或多个HTS带状物，它们沿着其长度经由导电材料(通常是铜)进行连接。HTS带状物可以进行堆叠(即，被布置为使得HTS层是平行的)，或者它们可以具有一些其他的带状物的布置方式，这些布置方式可以沿电缆的长度变化。值得注意的HTS电缆的具体情况是单个HTS带状物和HTS对。HTS对包括一对HTS带状物，其被布置为使得HTS层是平行的。在使用带衬底的带状物的情况下，HTS对可以是类型0(其中HTS层彼此面对)、类型1(其中一个带的HTS层面对另一个带的衬底)或类型2(其中衬底彼此面对)。包括多于2个带状物的电缆可以将带状物中的一些或全部按照HTS对进行布置。经堆叠的HTS带可以包括HTS对的各种布置方式，最常见的是类型1的对的堆叠或类型0的对的堆叠和(或等效地，类型2的对)。HTS电缆可以包括带衬底的带状物和片状剥离的带状物的混合。
在该文件中对线圈进行描述时将使用以下术语：
·“HTS电缆”——包括一个或多个HTS带状物的电缆。在这种定义中，单个HTS带是HTS电缆。
·“线匝”——线圈内的HTS电缆的一部分，该部分包围线圈的内部(即，其可以被建模为完整的环路)。
·“弧”——小于整个励磁线圈的该线圈的连续长度。
·“内/外半径”——从线圈的中心到HTS电缆内侧/外侧的距离。
·“内/外周”——围绕线圈的内侧/外侧测量的距离。
·“厚度”——线圈的所有线匝的径向深度，即，内半径和外半径之间的差。
·“临界电流”——在给定的温度和外部磁场下，HTS将变为常态的电流(其中HTS被认为在超导转变的特征点处已经“变为常态”，在该特征点处带状物每米生成E0伏特。E0的选择是任意的，但通常采用的是每米10或100微伏)。
·“临界温度”——在给定的磁场和电流下、HTS将变为常态的温度。
·“峰值临界温度”——在没有外部磁场且电流可忽略的情况下、HTS将变为常态的温度。
广义上讲，电磁线圈存在两种构造——通过绕制或通过组装若干个部分。如图2所示，通过将HTS电缆201以连续螺旋形缠绕在线圈架(former)202上来制造经绕制的线圈。线圈架被定型为，提供所需的线圈的内周，并且可以是最终的经绕制的线圈的结构部分，或者也可以在绕制之后被去除。如图3中示意性地示出的，分段线圈由若干个部分301组成，所述若干个部分中的每个部分可以包含若干电缆或预制的汇流条311并且将形成整个线圈的弧。这些部分通过接头302连接以形成完整的线圈。尽管为了清楚起见将图2和图3中的线圈的线匝示出为被间隔开，但是通常会存在连接线圈的线匝的材料——例如，线圈可以通过利用环氧树脂密封(pot)来固结。
线圈可以是“绝缘的”——在线圈的线匝之间具有电绝缘材料，或者“非绝缘”的，其中线圈的线匝在径向上以及沿着电缆被电连接(例如，通过借助焊接或借助直接接触来连接电缆的铜稳定剂层)。非绝缘线圈不适用于大的励磁线圈，原因将在下文进行更详细地讨论。
图4示出了被称为“扁平线圈”的特定类型的经绕制的线圈的横截面，其中HTS电缆401以类似于丝带的卷盘的方式进行绕制以形成扁的线圈。扁平线圈可以被制作成具有任意2维形状的内周。如图5的横截面所示，通常将扁平线圈设置为“双扁平线圈”，其包括相反地绕制的两个扁平线圈501、502，其中在扁平线圈之间具有绝缘物503，并且其中内部端子连接在一起504。这意味着仅需要向通常更容易接近的外部端子521、522提供电压，以驱动电流通过线圈的线匝并且生成磁场。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种高温超导HTS励磁线圈。所述HTS励磁线圈包括多个线匝和部分绝缘层。所述多个线匝包括HTS材料和金属稳定剂。所述部分绝缘层将线匝分开，从而可以经由所述部分绝缘层在线匝之间共享(share)电流。所述部分绝缘层包括导电层、以及第一绝缘层和第二绝缘层。所述导电层的一侧上涂覆有所述第一绝缘层并且另一侧上涂覆有所述第二绝缘层。每个绝缘层具有一个或多个窗口，通过所述一个或多个窗口可以在线匝和所述导电层之间形成电接触。所述第一绝缘层中的窗口在导电带的平面中与所述第二绝缘层中的窗口进行偏移。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造HTS励磁线圈的方法。提供HTS电缆，所述HTS电缆包括HTS材料和金属稳定剂。提供部分绝缘层。所述部分绝缘层包括导电层、以及第一绝缘层和第二绝缘层。所述导电层的一侧上涂覆有所述第一绝缘层并且另一侧上涂覆有所述第二绝缘层。每个绝缘层具有一个或多个窗口，通过所述一个或多个窗口可以在线匝和所述导电层之间形成电接触。所述第一绝缘层中的窗口在导电层的平面中与所述第二绝缘层中的窗口进行偏移。将所述HTS电缆和所述部分绝缘层进行组装，以形成HTS励磁线圈，从而可以经由所述部分绝缘层在所述HTS电缆的线匝之间共享电流。
根据本发明的第三方面，提供了一种具有大于50cm的半径的高温超导HTS励磁线圈，所述HTS励磁线圈具有包括HTS材料的多个线匝，其中，所述线匝被布置为，可以经由电阻材料在线匝之间共享电流。
根据本发明的第四方面，提供了一种具有大于50cm的半径的高温超导HTS励磁线圈，所述HTS励磁线圈具有包括HTS材料的线匝，其中，所述线匝被金属-绝缘体过渡材料隔离，所述金属-绝缘体过渡材料具有在小于HTS的峰值临界温度的第一温度下的第一电阻率、以及在比第一温度更高的第二温度下的更低的第二电阻率。
根据本发明的第五方面，提供了一种托卡马克聚变反应堆，包括：根据第一方面、第三方面或第四方面中的任一方面所述的HTS励磁线圈，其中，所述HTS励磁线圈是环形励磁线圈或极型励磁线圈中的一种。
根据本发明的第六方面，提供了一种质子束治疗PBT设备，包括：根据第一方面、第三方面或第四方面中的任一方面所述的HTS励磁线圈，其中，所述HTS励磁线圈是以下中的一种：
所述PBT设备的加速器的励磁线圈；
所述PBT设备的质子束控制系统的偶极或四极磁体。
本发明的另外的实施例在自权利要求2开始的权利要求中阐述。
附图说明
图1是HTS带的示意图；
图2是经绕制的HTS线圈的示意图；
图3是分段HTS线圈的示意图；
图4是扁平线圈的横截面的示意图；
图5是双扁平线圈的横截面的示意图；
图6示出了在爬升和进入稳态期间的部分绝缘线圈中的电流、电压和功率；
图7是质子束治疗设备的示意图；
图8是另一质子束治疗设备的示意图；
图9A是部分绝缘层的示意图；
图9B是图9A的部分绝缘层的侧视图；
图10A是根据备选构造的部分绝缘层的示意图；
图10B是图10A的部分绝缘层的横截面；
图11是示例性的部分绝缘层的示意图；
图12示出了部分绝缘层的备选构造；
图13示出了示例性绕制系统的示意图；
图14是部分绝缘层和HTS带状物组件的横截面；
图15示出示例性的经焊剂密封的线圈；以及
图16A-图16E示出了部分绝缘层的另一备选构造。
具体实施方式
如上所述，HTS线圈可以是绝缘的或非绝缘的。通常，不将非绝缘线圈考虑为适用于在可能发生淬灭的条件下操作的大型磁体，例如，托卡马克的励磁线圈。绝缘的缺乏有意地允许电流不仅在每个电缆线匝的带状物之间也在电缆线匝之间进行共享。也可以使用“部分绝缘”线圈，其中线匝之间的材料具有介于传统导体(例如，金属)的电阻与传统绝缘体(例如，陶瓷或有机绝缘体)的电阻之间的电阻，例如，具有铜的电阻率的100和1015倍之间、或10-6和108欧姆米之间的电阻率。在线匝之间没有绝缘或具有部分绝缘减慢了局部“热点”(常态区域)的温度爬升的速率。HTS磁体中的常态(电阻性HTS)区域的增长(空间传播)速率取决于许多参数，但通常在轴向方向上(即：沿着电缆)小于100mm/s，并且在横向方向上(即：在相邻线匝之间)慢约2-100倍。常态区域在每个方向上的确切传播速率取决于所使用的材料的热性质和电性质以及电缆构造。具体地，横向传播的速率受线匝之间的材料的热性质影响。
在大磁体中(米的线性尺寸，例如，大于50厘米的半径，并且其中线圈横截面尺寸小于最大整体线圈尺寸(即，小约10倍))，横向传播可以使线圈的整个横截面在覆盖线圈的外围的一小部分的区域中变为常态，导致所有线匝的总电流仅在常态部分之中的金属稳定剂中流动。在常态区域外部，导体仍然是超导的。这个常态区域的电阻不足以使磁体的电流快速下降，但会导致整个磁体的已存储的磁能被转移(dump)至这个小的常态(电阻)体积中，该体积仅在线圈外围各处缓慢地增长。除非迅速检测到这种情况从而可以将磁体的已存储的能量转移至线圈外部的电阻中，否则常态区域的温度将非常快地升高，这很可能会对常态区域之中的导体造成重大损坏。
对于小型线圈(几厘米的线性尺寸，例如，半径小于10cm，其中线圈横截面尺寸与最大线圈尺寸相似)，所涉及的已存储的磁能相对低很多，并且常态区域将在短时间内更均匀地在整个线圈体积上扩展。换言之，在常态区域的温度超过破坏值(通常取为约200K)之前，淬灭传播到包括整个线圈。
由于这个原因，非绝缘或部分绝缘线圈已被认为是小型HTS磁体的被动淬灭保护的良好选择，但对于大型磁体的被动淬灭保护却不够。
此外，非绝缘或部分绝缘线圈表现出在爬升期间的磁场的稳定的延迟。这是因为线圈的电感上产生的电压驱动通过线匝之间的金属的电流。可以将非绝缘HTS线圈建模为具有三条电流路径——沿着HTS带的两条螺旋路径(一条在HTS中，一条在金属稳定剂中)、以及通过连接线圈端子之间的非绝缘或部分绝缘HTS电缆线匝的金属(以及任何其他电阻材料)的一条径向路径(虽然可以将其建模为单个路径，但其实际上代表通过磁体的所有径向电阻路径之和)。只有在螺旋路径中流动的电流才在线圈的中心生成有效的轴向磁场。当带状物完全是超导的时，HTS螺旋路径可以被建模为具有电感L和零或可忽略的电阻的电感器。铜稳定剂螺旋路径与HTS路径平行并且具有相同的电感，但电阻很大。由于这个原因，可忽略的电流在其中流动，除非HTS螺旋路径的部分开始淬灭。如果发生这种情况，则HTS螺旋路径的临界电流Ic以上的过量电流将根据螺旋稳定剂路径和径向路径的相对电阻在它们之间进行共享。可以将径向电流路径建模为：在HTS始终是超导的同时，具有可以忽略的电感和比螺旋路径大得多的电阻R。
图6示出在爬升和进入稳态操作期间的非绝缘线圈中的电流、电压和功率。在非绝缘线圈爬升期间，电流最初会主要在径向路径中流动(图6中的时段A)，然后稳定。径向路径中流动的电流量越大，爬升速率越快(因为在螺旋路径上产生的电压L.dI/dt越高——这是B时段)。在爬升结束时，dI/dt降至零，并且电流将以时间常数L/R(时段C)转移到HTS螺旋路径。在爬升结束后的几个(约五个)L/R时间常数，电流将大部分地被转移到螺旋路径中。因此，应选择时间常数以产生合理的爬升时间，例如，对于托卡马克的TF线圈，5-10小时的时间常数(给出了约为1-2天的爬升时间)将是可以接受的。
如果在HTS电缆中存在被用于绕制线圈的接头，则一个小的百分比的电源电流将在时段C期间继续在径向路径中流动。该百分比单纯是螺旋路径电阻与径向电阻(即：所有的线匝至线匝或线匝间电阻之和)和螺旋路径电阻之和的比值。
在具有大的L的磁体中使充电延迟时间常数保持为很短需要较高的线匝间电阻，而将常态区域温度保持为很低则需要较低的线匝间电阻。因此，希望找到一种容易控制线匝至线匝电阻以实现最佳折衷的方法。
在选择理想的线匝至线匝电阻时的另外的考虑是，在磁体爬升阶段(时段A和时段B)期间驱动电流通过径向电阻引起的热负荷。这个额外的热负荷可以相当大(几kW的量级)，如果其小于或等于在包括励磁线圈的设备运行期间所出现的热负荷——例如，聚变反应堆中的线圈的中子热负荷，则将不需要额外的制冷。这是可行的，因为运行热负荷和爬升热负荷不能同时出现(例如，因为直到TF磁体处于磁场(at field)才开始聚变)。当然，也有可能以更高的热负荷(即更高的线匝至线匝电阻)进行爬升，并且提供额外的制冷——这通常成本更高，但允许更快的爬升时间。
在大型磁体中，为了避免来自(绝缘或非绝缘线圈中的)淬灭的损坏，也可以实施主动淬灭保护方案。在这种方案中，在磁体的淬灭区域可能出现足以导致损坏的温度升高之前，磁体的存储能量可以被转移至磁体的淬灭区域之外的某个组件中。其他组件可以是外部电阻、或磁体的单独的部分，该单独的部分在磁体的冷块(mass)的较大的部分上淬灭(从而将磁体的存储能量分布在很大的体积上，降低了总体温升)。然而，该主动方法需要常态区域(也被称为“热点”)的启动与磁体电流下降(“转移”)的触发之间的时间短到足以使热点的终端温度低于可以出现对线圈的损坏的温度，例如：约200K。
因此，希望开发用于控制线圈的时间常数的装置，以使其可以在可接受的时间帧内爬升到稳定的磁场，同时仍在淬灭的常态区域附近的线匝之间提供一定程度的电流共享，以限制热点温度的升高速率。
可以被更改以选择时间常数L/R的线圈的可行的参数为：
·电感L，其与线圈中的线匝数N的平方成比例。因此，可以通过减少线匝数来减少时间常数。然而，磁场与安陪-线匝成比例，因此，利用很少的线匝数生成高场将与利用更多的线匝和更小的传输电流生成相同的磁场的磁体相比需要更大的传输电流。
·线匝至线匝径向电阻RT(其中，R＝NRT)。
根据这些参数，R大致与NRT成比例，L大致与N2成比例，因此L/R大致与N/RT成比例。N的最小值将根据所需的磁场(B)以及每条电缆的最大电流(I)设置，因为B与NI成比例。可以通过使用更少的线匝来减小时间常数和爬升期间的热负荷，但这将需要更大的电流来使磁体产生给定的磁场。
通过增大每个线匝之间的电阻RT，也可以减小时间常数和爬升热负荷。然而，将RT增大至太高会抑制线匝之间的电流共享——降低了线圈的“被动淬灭保护”，即，线圈从没有淬灭和没有来自线圈的转移能量的热点恢复的能力。大电流电缆需要多个带状物来承载电流，并且希望使线匝中的带状物之间的电阻非常小，特别是允许在带状物之间的良好的电流共享和高的导热率；这使带状物对ReBCO超导层中的缺陷具有鲁棒性。在每个线匝包括多个带状物的情况下，所需的RT可以比每个线匝的带状物之间的电阻大得多，从而优选地在线匝之中共享电流以绕过缺陷，而不是在线匝之间进行分配——然而，RT仍应允许在线匝之间进行电流共享，以限制热点的热散逸的速率并且最大化检测问题和对磁体进行转移的时间。
已经发现，在与等效的绝缘线圈相比时，使用部分绝缘线圈可以显著延长热点的启动与超过200K的常态区域温度之间的时间窗，从而允许用于磁体转移的启动的额外时间。这使具有正确选择的RT的部分绝缘线圈惊人地适合于用作托卡马克中的大励磁线圈。
在这个时间窗之内，必须检测到热点，淬灭检测系统必须确定该热点很可能引起淬灭(而不是通过被动电流共享进行耗散)，并且以安全的方式从磁体转移能量——即强制很大的冷块以受控方式变热(较大的冷块可以是磁体的故意淬灭部分，例如，环形励磁线圈的返回分支)。
时间窗的持续时间取决于每个线匝中的导电金属的量(例如，铜)——在金属稳定剂越多的情况下，时间窗被延长。然而，增加稳定剂的量将减小线圈的电流密度，这在诸如环形励磁线圈的中心柱之类的空间受限的应用中是不希望的(其中，较高的电流密度允许聚变反应堆中的中子屏蔽更厚，因此允许球形托卡马克的更小的热负荷或更有利的高宽比或更小的整体尺寸)。
当前的针对球形托卡马克使用绝缘线圈的淬灭保护方法导致线匝中的更多的金属稳定剂，从而导致更大、更昂贵的设备，以便将时间窗增大到可管理的水平——但是时间窗仍然很短(在0.5至1秒的量级)。使用非绝缘或部分绝缘环形励磁线圈将允许时间窗被延长，并且允许增大电流密度——因为非绝缘或部分绝缘线圈比绝缘线圈需要更少的金属稳定剂。实际上，针对非绝缘环形励磁线圈的电流密度的限制是机械问题，而不是电气问题，因为随着电流密度增大，中心柱上的应力成为限制因素。最终，带材中产生的应变被传递到ReBCO层，导致临界电流减小。
考虑一个示例环形磁场(TF)磁体，具有1.4m等离子体半径和5T磁场、具有18个分支。总的TF中心杆电流将是35MA。假设传输电流为10kA，那么每个分支将具有196个线匝并且总的TF电感将大致是46H。为了获得1.4小时的时间常数(以使总的爬升时间约为6小时)，将需要每个单独的分支的径向电阻约为0.5毫欧。因此，为了获得所需的时间常数，平均的线匝至线匝电阻RT应为2.54微欧。
通过建模，已经发现这可以通过在线匝之间使用具有0.05mm的厚度和0.02ohm.m的电阻率(这是普通的铜在20K时的2x106倍多)的部分绝缘层来实现。技术人员将理解，用于部分绝缘的其他参数也是可以的。
可以通过选择用于在HTS电缆之中和/或在线圈的线匝之间进行填充的金属来调整RT。在典型的HTS电缆中，这将是铜，但为了获得更大的电阻，可以使用诸如不锈钢之类的其他金属。备选地或附加地，可以增大线圈的线匝之间的间隔，从而导致线圈的线匝之间的更厚的金属层(因此电阻更大)。还可满足其他工程技术约束(例如，电流密度和结构稳定性)的合适的材料包括锗和其他半导体。
另一选择是将普通(即非超导)金属用于绝缘，但是使用常规绝缘体来调整电流路径几何形状。换言之，增大了迫使电流在线匝之间流动的距离。线圈的线匝之间的材料可以包括：部分绝缘层，其包括如图9A和图9B所示的具有“漏电绝缘”的金属条(或其他导电带)。金属条901至少在面对HTS电缆的面上设置有薄的绝缘涂层902，其中在金属条的每一面上的间隔的窗口(或“贯通孔”)903上去除或省去绝缘涂层。窗口可以具有任何形状并且可以延伸到带状物的边缘。如图9B所示，金属条的两个面上的窗口的位置被错开，这(相对于非绝缘条、或相对于每个面上的窗口彼此正对的金属条)增大了电阻，因为电流必须使用沿着金属条的长度的一部分的路径910。
图9A和图9B所示的部分绝缘层的电阻(即线匝至线匝电阻)将取决于：
·同一个面上的相邻窗口之间的距离(更大的距离导致更大的电阻)。这是主要影响。
·相对的面上的相邻的窗口之间的偏移，即一个面上的窗口和相对的面上的相邻的窗口之间的距离(更大的偏移导致更大的电阻)。
ο电阻也将随窗口的任一边的相对偏移而变化，对于给定的同一个面上的窗口之间的距离，当一个面上的窗口是相对的面上的最接近的窗口之间的一半路径时，电阻将被最大化。这种布置还提供了部分绝缘层的均匀电阻加热。
·金属条的厚度(其中，偏移明显大于厚度，越大的厚度导致越小的电阻)。
·金属条的宽度(越大的宽度导致越小的电阻)。
·金属条的电阻率(越大的电阻率导致越大的电阻)。
·窗口的面积(越大的面积导致越小的电阻)。然而，仅当窗口之间的距离与窗口尺寸相当时，窗口面积才有意义。
可以通过本领域已知的普遍可用技术或通过简单的实验来对精确的关系进行建模。
窗口的间隔是规则的，这并不重要。重要的因素是，要使电流从金属条一侧的线匝流到另一线匝，电流必须先穿过一个窗口进入金属条，然后沿着金属条并且经由金属条的相对的面上的另一窗口离开。进入一个窗口的电流分成多个路径并且经由若干个窗口离开显然是可行的。沿着每条路径的电流比例将仅取决于该路径的阻抗(该阻抗将由减缓变化电流的路径的电阻控制，而路径电感将对快速变化的电流起作用)。
除非条的相对的面上的窗口之间的距离与窗口的尺寸相当，否则窗口之间的路径的电阻将由窗口之间的距离控制，并与该距离成比例，并且与条的厚度成反比。这是用于部分绝缘条的希望的布置。
如果希望在线圈中的不同点处改变电阻，则可以沿着部分绝缘层的长度改变这些特性中的任意特性。
绝缘涂层可以是例如以KaptonTM带的形式或作为液体、聚酯薄膜、绝缘漆或任何其他合适的绝缘体施加的聚酰胺。
根据需要，金属可以是铜、黄铜、不锈钢、哈斯特合金或任何其他合适的金属(或非金属导体)。与常规的全铜磁体相比，使用诸如哈斯特合金的不锈钢之类的材料允许部分绝缘层也提供改善的结构稳定性，其有助于应对强磁场托卡马克所承受的很大的应力。
HTS线圈可以正常绕制，在绕制它们时将部分绝缘层置于线匝之间。HTS线圈可以用树脂封装或者被焊接在一起——在后一种情况下，可以可选地在部分绝缘层上涂覆可焊接的涂层，以改善线匝之间的焊剂粘附性。将部分绝缘层与HTS线匝连续进行绕制，以使其隔离线圈的每个线匝。
可以通过蚀刻、通过在被应用于金属条之前切割绝缘条、通过掩蔽的喷涂、通过喷墨印刷或通过本领域已知的其他合适的方法(例如，使用已知的柔性PCB制造的技术)来制造窗口。
在窗口之间的距离明显大于窗口的尺寸、并且窗口被偏移为使得一个面上的窗口位于另一个面上的窗口之间的一半的地方，线匝至线匝电阻RTT可以近似为：
Figure BDA0002612338820000141
其中d是窗口之间(即一窗口和同一面上的下一窗口之间)的距离，ρ是电阻率(考虑到线圈将在低温和强磁场下运行)，w是带状物的宽度，t是金属条的厚度，而L是每个线匝的平均长度。
例如，使用具有20mm的宽度、50微米的厚度、16.2m的线匝长度、以及60.5mm的窗口之间的距离d的黄铜条(在约20K时，ρ＝45nΩ.m)可以获得2.54微欧的线匝至线匝电阻。
图10A(平面图)和图10B(图10A中的横截面B-B)示出备选的“漏电绝缘”结构。如前所述，金属条1001至少在面向HTS的面上设置有薄的绝缘涂层1002。在这种情况下，代替利用之前的示例设置纵向间隔开的窗口，每个绝缘涂层1002具有沿金属条的长度延伸的单个窗口1003(或“通道”)，并且在金属条的每个面上的窗口位于相对的边缘上(例如，当从金属条的一端看时，金属条可以在顶部表面的左侧上和底部表面的右侧上具有窗口)。
将窗口示出为延伸到金属条的边缘，但这不是必需的情况——即，窗口的两侧上可以存在绝缘材料。
窗口被布置为使得它们不重叠，从而允许电流1010只能通过沿着金属条的宽度行进而流过金属条。
在这种结构中，线匝至线匝电阻通过以下来确定：
·一个面上的窗口和另一个面上的窗口之间的距离(根据通过沿着条的宽度对其内部边缘进行测量，越大的距离导致越大的电阻)。
·金属条的厚度(越大的厚度导致越小的电阻)。
·金属条的电阻率(越大的电阻率导致越大的电阻)。
·每个窗口的宽度(越大的宽度导致越小的电阻)。与之前的结构中的窗口的面积一样，这是次要的影响——但是请注意，在这种情况下，窗口之间的距离和每个窗口的宽度将受金属条的宽度限制。
在窗口之间的距离明显大于条的厚度的情况下，线匝至线匝电阻被给定为：
Figure BDA0002612338820000151
其中s是窗口之间的距离，ρ是电阻率(考虑到线圈将在低温和强磁场下运行)，t是金属条的厚度，而L是每个线匝的长度。
例如，使用具有20mm的宽度、50微米的厚度、以及在各个面的相对的边缘处的7.9mm的非绝缘条的不锈钢条(ρ＝486nΩ.m)可以获得2.54微欧的线匝至线匝电阻。
在上述两种结构都是特定示例的一般情况下，部分绝缘层包括：在每个面上具有薄绝缘层的金属条。每个绝缘层具有一个或多个窗口，所述一个或多个窗口在金属条的平面中相对于另一层的窗口进行偏移(除了由于金属条的厚度而引起的偏移)。偏移距离可以大于金属条的厚度，并且明显小于线圈的线匝的长度(例如，至少小五倍、至少小十倍或至少小100倍)。所述窗口允许HTS带与金属条之间的电接触，其产生了在经绕制的线圈中的相邻的HTS带之间的电流路径，所述电流路径横向穿过金属条(沿长度或沿宽度)。这实现了通过改变窗口的定位和间隔很容易地控制部分绝缘层的电阻，并且产生了比仅通过类似尺寸的金属条所获得的电阻更大的电阻。
窗口可以沿着部分绝缘层的长度均匀地分布，这种分布沿着部分绝缘层的整个长度延伸。备选地，窗口之间的距离(或窗口的其他特性)可以沿着部分绝缘层变化，使得线圈的每个线匝的总电阻是恒定的。
在每个部分绝缘层上仅提供一个窗口的情况下，每个窗口可以在部分绝缘层的整个长度上延伸。
为了确保通过窗口的电接触，可以在绕制期间将部分绝缘层焊接到HTS电缆上。备选地，仅由于经绕制的线圈中的压力就可以实现接触。作为另一备选方案，可以将附加的导电插入部添加到窗口中，或者金属条可以具有延伸到窗口中的突出部。插入部或突出部可以填充整个窗口，或者可以仅填充窗口的一部分。例如，在窗口是“通道”的情况下，插入部可以沿着该通道而间隔地设置。这导致插入部有效地起到减小窗口的尺寸的作用，并且可以被用于进一步调整部分绝缘层的电阻。
上文公开的窗口的所有不同的布置都可以经由窗口和部分地填充窗口的金属插入部或突出部的组合来实现——例如，金属插入部的间隔可以沿着部分绝缘层变化，以确保线圈的每个线匝的电阻是恒定的。
部分绝缘层和HTS线圈的物理连接可以是：仅经由压力(即仅仅通过线圈的紧凑绕制)、通过绝缘涂层和HTS电缆外表面的粘合剂(例如，环氧树脂)连接、和/或通过部分绝缘层的外部金属表面与HTS电缆之间的焊接连接。
图11示出可以对部分绝缘层进行的用于确保良好的物理和电连接的一些其他的改进。如前所述，部分绝缘层包括金属(或其他导电)条1101和薄绝缘涂层1102。金属插入部1103可以被放置在窗口中，或者金属条可以具有延伸穿过窗口的突出部，以促进与HTS电缆的接触。
备选地或附加地，为了提供更大的焊接表面(因此使线圈和更牢固地结合的线圈更容易制造)，部分绝缘层还可以包括另外的金属条1104，此后称为被结合到绝缘层的外表面的“连接条”。这些连接条对层的电性质的影响可忽略，但允许部分绝缘层实质上沿着整个表面被焊接到HTS电缆。
部分绝缘层还可以具有被结合到部分绝缘层的边缘的至少覆盖金属条1101的边缘的绝缘材料1105，以避免在制造线圈时焊剂在部分绝缘层上和/或绝缘涂层上桥接。
可以将部分绝缘层制造为柔性PCB——使绝缘涂层通过粘合剂被结合到金属条上，然后蚀刻以形成窗口，并在适当时将任何其他金属元素结合到绝缘涂层或金属条，使它们与金属条电进行接触。备选地，绝缘涂层可以具有预先切割的窗口(或将尺寸设置成在被应用到金属条上时提供“通道”)，然后在绕制期间通过粘合剂被结合到金属条上。也可以使用其他制造方法。
图12示出部分绝缘层的备选结构。如前所述，部分绝缘层包括金属条1201和绝缘涂层1202，被布置成在金属条的每一面的一个边缘处形成“通道”(如上文参考图10A和图10B所述)。在这种情况下，金属条设置有“啮合部”或“扭结部”1203——即，其被弯曲，使得金属条被窗口暴露的部分位于绝缘涂层的平面中。绝缘涂层可以设置有伸出部1204，以防止在焊接时金属条和绝缘涂层的另一面上的HTS带之间的不需要的桥接。
虽然上文主要是从通过在金属条上应用绝缘体、然后将其与HTS电缆进行绕制以形成线圈来形成的部分绝缘层的观点来进行描写，但要理解的是，对HTS电缆应用绝缘体、随后将其与裸金属条进行绕制的结构是等价的，因为都是在绕制期间将HTS电缆、绝缘体和金属条集合在一起的结构。实际上，在对线圈进行绕制时可以在原位形成“部分绝缘层”。
在漏电绝缘层的另一备选方案中，可以将绝缘材料的螺旋形包裹部(例如，KaptonTM带状物)包裹在金属条上，故意在绝缘线匝之间留出间隙以形成“窗口”。备选地，每个线匝可以被绝缘层螺旋地包裹，从而留下间隙以形成“窗口”。然而，利用后一种方法来控制相邻线匝之间的电阻率(即：窗口的接触面积和相对的面上的窗口之间的偏移)会更加困难。
图16A至图16E示出又一备选的漏电绝缘层。与之前的示例一样，这个示例的技术特征不一定需要一起使用，并且可以在适当时与其他示例的特征组合。该漏电绝缘层包括5层，它们依次为：
·第一金属连接层1611；
·第一绝缘层1621；
·导电层1630；
·第二绝缘层1622；
·第二金属连接层1612。
图16A至图16C分别示出第一金属连接层1611、导电层1630和第二金属连接层1622的布局。图16D和图16E是沿图16A至图16C中的线D和线E的横截面。
与之前的示例一样，连接层的存在有助于通过焊接附接到HTS电缆。
与导电层是连续金属条的之前的示例相反，在该示例中，导电层被划分成几个导电区域。这些区域存在两种类型。正方形区域1631(但是实际上它们可以是任何形状)仅通过通孔1606被连接到金属连接层中的一个金属连接层。这些区域不影响部分绝缘层的电性质，而是提供穿过相应的绝缘层的热路径。通过改变这些区域的尺寸以及它们与金属连接层之间的连接的数量，可以独立于电性质地改变部分绝缘层的热性质。
其他区域1632均将第一绝缘层1621的窗口1601连接到第二绝缘层1622的窗口1602。窗口之间的电阻可以通过改变区域1632的几何形状来控制——例如，其中区域1632包含如图16B所示的细长的轨道1633，增加轨道的宽度会减小窗口之间的电阻，而增加轨道的长度(例如，通过提供非线性轨道、或通过移动窗口)会增大窗口之间的电阻。
第一绝缘层中的窗口1601由穿过第一连接层和第一绝缘层的被钻出的通孔形成，然后利用金属1603(或其他导电材料)镀覆以连接第一连接层和导电层。通过钻出穿过所有层的通孔1602来形成第二绝缘层中的窗口1602，然后利用金属1604(或其他导电材料)镀覆通孔1602。为了防止通过第二绝缘层的窗口1602形成与第一连接层的连接，围绕通孔1602蚀刻第一连接层以将其电隔离，并且在通孔1602的端部放置绝缘帽1605以确保不会由于焊接或与HTS电缆接触而出现桥接。
作为备选方案，可以替代地从的另一部分绝缘层个面钻出窗口1602，使得它们穿过第二连接层、第二绝缘层和导电层，并且不穿过(或不完全穿过)第一绝缘层。作为另一备选方案，所有窗口可以由穿过所有层的通孔形成，针对第一绝缘层的窗口1601使用第二连接层的蚀刻和第二连接层上的绝缘帽。
作为示例，可以通过如下所示的柔性PCB工艺来制造根据图16A至图16E的部分绝缘层：
·设置第一绝缘层1621，并且在其上表面和下表面镀覆铜(以分别形成第一连接层1611和导电层1630)。
·对已镀覆铜的第一绝缘层1621(即层1621、1611m、1630)进行钻孔，以形成通孔1601并且镀覆孔(1603)。
·蚀刻导电层1630以形成区域1632(以及可选地形成区域1631，但是可希望在别处蚀刻这些区域)。
·将第二绝缘层1622施加到导电层1630。这可以是与第一绝缘层相同的绝缘层或不同的绝缘层。
ο在一个示例中，第二绝缘层可以是被用于连接第二连接层的粘合剂。
·将第二连接层1612施加在第二绝缘层1622上。
·如上所述地钻出通孔，以在第一绝缘层和第二绝缘层中形成窗口1602。
·利用铜1604涂覆通孔。
·蚀刻第一连接层以将窗口1602与层(1611)隔离。
·在第一连接层1611处，在形成窗口1602的通孔的端部处施加绝缘帽1605。
当然，在部分绝缘层中仅使用图16A至图16E的示例的一些特征的情况下，将不执行与所缺少的特征相对应的方法步骤。
应当注意，上文公开的部分绝缘层的示例的一般特征可以以各种方式组合，并且可以与各个示例中的其他特征分开使用。例如，可以在绝缘层中提供在每个绝缘层的边缘上具有单个细长的窗口的如“通道”示例(图10A)那样的窗口，与图16B的图案化的导电层组合，并且所述导电层可以设置有“啮合部”，以使图案化的导电层的电触点进入绝缘层的平面，如图12所示。
应当注意，尽管上文描述的许多内容集中在大型HTS线圈上，但是上文公开的“漏电绝缘层”也将适用于更小的HTS线圈，以便在那些线圈中提供受控的线匝到线匝电阻。
现在将讨论制造包括这种“漏电绝缘层”的线圈的各种方法。这些仅作为示例呈现，并且本领域技术人员将预先理解，其他绕制方法也是可以的，并且每个示例的要素可以以本文未呈现的多种方式组合。
所述部分绝缘层可以是预先形成的(例如，通过如上所述的柔性PCB制造工艺)，或者可以在绕制期间在原位形成。对金属条涂敷绝缘涂层可以涉及，在连接绝缘涂层和/或金属条之前对它们施加粘合剂(例如，环氧树脂)。
在部分绝缘层是在被绕制到线圈中之前形成的情况下(如稍后所述，既可以预先形成，也可以在绕制过程的较早的阶段进行)，所述层可以在每个面上都设置有HTS带，以便于在绕制过程期间更容易连接。
图13示出示例性绕制系统的示意图。线圈1300基于HTS带1301的三个卷盘与部分绝缘层1302进行绕制。部分绝缘层基于HTS带1311的两个卷盘、在每个面上涂覆有干环氧树脂的绝缘带1312的两个卷盘、以及不锈钢箔片1313的卷盘在原位形成。使部分绝缘层和HTS带组件通过加热和加压辊1303(如果绕制的压力足以固化环氧树脂，则可以省去它或者用不施加大量热量或压力的辊来代替它)将它们结合在一起。部分绝缘层1302和HTS带1301中的每一个都经过助焊剂盒1304以将助焊剂施加到暴露的表面。
虽然在图13中将线圈示出为圆形，但是可以使用类似的绕制系统来绕制任何形状的线圈(例如，使用形状不同的线圈架)。
图14示出部分绝缘层和HTS带组件的横截面。所述组件包括被夹在绝缘层1402之间的不锈钢带1401，绝缘层又被夹在HTS带1403之间。尽管不锈钢带和HTS带之间的直接连接上没有使用环氧树脂(以确保良好的电气连接)，但是每一层都用环氧树脂进行结合。这种制造线圈的方式更适合较大的线圈——因为部分绝缘层和HTS组件的最小弯曲半径将比单个HTS带的最小弯曲半径受到更大的限制(由于组件的厚度引起的)。然而，可以通过在制造时部分地“预弯曲”该组件，即以部分弯曲的状态形成组件(使“零应变”位置位于介于直带和线圈的最小曲率半径之间的曲率半径处)来克服这个问题。
在所示的示例中，绝缘带被布置为提供在带的每个面的一个边缘上具有单个大窗口的“通道”实施例。这是通过在绕制期间基于HTS带和不锈钢带来对绝缘带进行偏移以形成伸出部1410来实现的。在焊接组件时或在如下所述地对线圈进行“焊接密封”时，这个伸出部有助于防止HTS与不锈钢之间的不必要的电桥接。备选地，可以设置比不锈钢窄并且与不锈钢的一个边缘对准(以在另一边缘上设置“通道”)的绝缘带。
在部分绝缘层具有采用其他布置的窗口的情况下，可以在部分绝缘层的组装期间提供焊剂，以确保HTS带和钢带之间的电气连接——例如，在窗口不允许与部分绝缘层的外部边缘流体连通的情况下。备选地或附加地，如之前所描述的，可以使用窗口之中的附加的金属插入部或金属层中的突出部。
为了既巩固线圈又提供改善的电连接，可以对线圈进行“焊剂密封”或“利用焊剂进行巩固”——即，用焊剂进行完全涂覆，允许焊剂渗透线圈(类似于本领域周知的“环氧树脂密封”)。图15示出示例性的经焊剂密封的线圈。该线圈包括部分绝缘层1510和HTS电缆1520。部分绝缘层1510包括金属条1511和绝缘涂层1512，其中绝缘涂层具有突出到超出线圈的边缘的伸出部1513。在对线圈进行焊剂密封时，焊剂1530将涂覆线圈的表面并且在电缆的HTS带之间延伸，从而确保电缆的HTS带之间以及HTS电缆与金属层之间的电连接。HTS带的金属表面和部分绝缘层的暴露的金属表面可在焊接之前用助焊剂进行处理。
然后可以沿着平面1514(虚线)对线圈进行加工，以切掉伸出部并且平滑焊剂，这进一步确保不存在跨突出部的焊剂桥。
在部分绝缘层在边缘上设置有绝缘涂层而不是(例如，如图11所示和上文描述的)伸出部的情况下，可以在密封焊剂之后将线圈加工成到达该绝缘涂层。如果边缘上的绝缘涂层足够宽，如果所使用的焊剂未润湿所使用的绝缘涂层，则可能不形成这种桥。
作为在线圈的一侧上提供伸出部的备选方案，可以在线圈的该侧上涂覆可移除的掩模(例如，两组分硅树脂)，该掩模防止焊剂在该侧上桥接连接。这种布置使线圈的对准更容易，因为所有的HTS带和部分绝缘层可以被布置成使一端位于公共平面上。
尽管示出了用于“通道”实施例的焊剂密封，但是其同样适用于之前提出的其他结构。在一些情况下，可以在每个绝缘涂层的两个面上或仅在沿着部分绝缘层的长度的一部分上(即，在不希望穿过绝缘层的连接的地方)设置伸出部1513，在可以接受这些连接的地方(例如，在窗口延伸到金属层的边缘的地方)没有伸出部。如果绝缘涂层中的窗口被设置为使其不与线圈的外部流体连通，则可以在绕制期间执行单独的焊接阶段，以进行穿过这些窗口的连接部的焊接——或者可以替代地使用本文公开的其他连接方法中的任意一种(例如，窗口之中的附加的金属插入部)。
在部分绝缘层能够仅通过压力被电连接到HTS带的情况下(例如，在图11和图12的实施例、以及金属层的一部分或被电连接到金属层的组件位于绝缘涂层的平面之中的其他实施例中)，可以在HTS和部分绝缘层之间形成电连接，而无需进行焊剂密封或其他焊接，但是如果需要的话，仍可以使用焊剂。在这种情况下，可以对线圈进行环氧树脂密封以提高机械稳定性——但是应注意避免环氧树脂阻塞(在HTS电缆之中或电缆与部分绝缘层之间的)任何电气连接。
HTS电缆可以在绕制之前或绕制过程期间独立焊接。在绕制期间的焊接可以通过：随着每个HTS带被展开而对其涂覆焊剂，然后使它们一起通过经加热的辊而形成电缆，然后将该电缆与部分绝缘层一起绕制来实现。
在一些实施例中，由于HTS电缆和金属层之间的尺寸很小的间隙，因此焊剂在密封期间可能不会润湿这些间隙——这将取决于焊剂、金属层和HTS电缆的外表面的成分。这通常会在金属层和HTS电缆的外表面不相似的情况下发生。因此，在不通过金属层和HTS电缆的直接接触进行电连接的实施例中，金属层和HTS电缆的外表面可以是相似的金属，或者这些间隙可以单独焊接而不经由密封。
同样，焊剂通常不会润湿绝缘层和HTS带之间的间隙。在进行焊剂密封后，可以对线圈进行环氧树脂密封以巩固这些间隙(至少在它们与线圈外部流体连通的地方)。
在一些情况下(例如，当部分绝缘层被制造为柔性PCB时)，可希望产生较短长度的部分绝缘层(例如，2m至5m)，并且通过线圈内的对接部来连接它们。在以上示例的任何示例中，都应将其视为单个“部分绝缘层”。
尽管上文的公开内容已经对可变项中的许多可变项进行了同样地处理，但是应当理解，对于给定的磁体，设计过程可以约束一些可变项并且允许自由选择其他可变项。例如，在已知所需的磁场和磁体几何形状的情况下，设计过程可以包括以下步骤：
·确定用于产生所需的磁场所需的“安线-线匝(amp-turn)”的数量(即，线匝数N乘以传输电流I)。
·选择值I和N以提供电感L(取决于N)和径向电阻R(取决于N和线匝至线匝电阻RTT)将获得可接受的时间常数(其中“可接受”将取决于使用情况)。
·选择部分绝缘的特性以提供所需的RTT。
I和RTT的选择可能受到其他因素的限制——例如，传输电流不能超过HTS电缆的临界电流，并且RTT将取决于部分绝缘层的可接受的厚度和带状物的宽度(两者都很可能根据其他考虑进行设置——例如，可用空间和HTS带的性能)。
尽管上文的描述参考了经绕制的扁平线圈，但是类似的考虑将适用于分段线圈。对于这样的线圈，L和R对线圈参数的依赖性可以不同，但是可以由技术人员使用HTS磁体设计的常规技术来确定。
本公开通过允许调节L/R时间常数以在可接受的快速的线圈爬升时间和在一个线匝中形成热点与出现对HTS带的损坏之间的很长的时间窗之间给出良好的折衷，来允许非绝缘/部分绝缘线圈的使用。与等效的绝缘线圈相比，这允许通过监测线圈温度来检测热点，并且在必要时启用主动淬灭保护系统，以在更长的时间帧中减小磁体电流。
另外，非绝缘线圈比等效的绝缘线圈需要更少的铜或其他金属稳定剂，因为铜可以在HTS电缆之间“共享”(即，线圈作为一个整体需要足够的铜来共享仅仅是来自该电缆的子集的电流，而不是每条HTS电缆都需要足够的铜来共享来自该电缆的电流)。因此，使用部分绝缘线圈可以获得更高的电流密度，这在诸如球形托卡马克的环形励磁线圈之类的应用中特别有用，其中线圈的厚度是重要的设计考虑因素(在球形托卡马克的情况下，用于最小化中心柱的半径，或允许针对给定的中心柱半径的更多的中子屏蔽)。
如果需要绝缘线圈用于常态操作的性能，则仍然可以通过使用金属-绝缘体过渡材料(例如，氧化钒)在淬灭期间获得非绝缘线圈的好处，所述金属-绝缘体过渡材料在冷却时具有非常高的电阻和在被加热到转变温度以上(在氧化钒的情况下约为110K)时的较低的电阻(至少低10倍)。因此，在线匝之间具有金属绝缘体过渡材料的“半绝缘”线圈在常态操作期间和爬升期间(具有非常小的时间常数)将表现为绝缘线圈，且在淬灭期间表现为非绝缘线圈(这将导致金属-绝缘体过渡材料加热并且变得导电)。这允许在金属-绝缘体过渡金属具有低电阻时将RT制作得尽可能的小，而不会对爬升时间常数产生负面影响(只要RT在低温处提供足够小的时间常数即可，而这很容易实现，因为金属-绝缘体过渡材料的电阻率在其转变温度附近存在急剧下降，例如，电阻率在10开尔文以上下降至少10倍、电阻率在10开尔文以上甚至下降103倍)。
以上公开内容可以被应用于多种HTS磁体系统。除了上述作为示例的托卡马克聚变反应堆外，它还可以被用于核磁共振成像(NMR/MRI)设备中的HTS线圈、经由磁场在非磁性介质中操纵磁性设备(例如，用于操纵患者体内的医疗设备的机器人磁导航系统)、以及用于电机的(例如，用于电子航空器的)磁体。作为另外的示例，本公开可以被应用于包括具有所公开的特征的HTS磁体系统的质子束治疗设备，其中HTS磁体系统被用在PBT设备的加速器、PBT设备的四极或偶极控制磁体、或PBT设备的任何其他磁体之中。

Claims (46)

1.一种高温超导HTS励磁线圈，所述HTS励磁线圈包括：
多个线匝，包括HTS材料和金属稳定剂；
部分绝缘层，分离线匝，使得经由所述部分绝缘层在所述线匝之间共享电流；
所述部分绝缘层包括：
导电层，所述导电层的一侧上涂覆有第一绝缘层并且另一侧上涂覆有第二绝缘层；
每个绝缘层，具有一个或多个窗口，通过所述一个或多个窗口在所述线匝和所述导电层之间进行电接触；
其中，所述第一绝缘层中的窗口在导电带的平面中相对于所述第二绝缘层中的窗口偏移。
2.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述导电层是连续的导电带。
3.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述导电层包括多个区域，每个区域将所述第一绝缘层中的相应的第一窗口电连接到所述第二绝缘层中的相应的第二窗口，并且每个区域在所述导电层的平面中与其他区域电绝缘。
4.根据权利要求3所述的HTS励磁线圈，其中，每个区域包括在所述第一窗口和所述第二窗口之间的轨道，在所述第一窗口和所述第二窗口之间的所述轨道的长度是与所述长度垂直地测量的所述轨道的宽度的至少两倍。
5.根据权利要求4所述的HTS励磁线圈，其中，每个轨道是非线性的。
6.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，第二绝缘层中的窗口均是延伸穿过所述第一绝缘层、所述第二绝缘层和所述导电层的相应的通孔的一部分，所述部分绝缘层还包括在每个通孔上的在靠近所述第一绝缘层的端部处的绝缘帽。
7.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述导电层包括金属。
8.根据权利要求7所述的HTS励磁线圈，其中，所述金属是以下中的一项：
铜；
黄铜；
钢；
哈斯特合金；以及
镍。
9.根据权利要求7所述的HTS励磁线圈，其中，所述金属是不锈钢。
10.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述部分绝缘层和所述线匝被连续地绕制。
11.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，在一层上的每个窗口与在另一层上的最近的窗口之间的偏移距离大于所述导电层的厚度。
12.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，在一层上的每个窗口与在另一层上的最近的窗口之间的偏移距离小于所述HTS励磁线圈的线匝的长度的1/5。
13.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，在一层上的每个窗口与在另一层上的最近的窗口之间的偏移距离小于所述HTS励磁线圈的线匝的长度的1/10。
14.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，在一层上的每个窗口与在另一层上的最近的窗口之间的偏移距离小于所述HTS励磁线圈的线匝的长度的1/50。
15.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，每个绝缘层包括沿着所述部分绝缘层的长度进行偏移的多个窗口。
16.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，每个绝缘层上的窗口以对于两个绝缘层相同的间隔被规则地间隔开，并且其中，每个窗口具有相同的面积。
17.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，将在一个绝缘层上的窗口与在相对的绝缘层中的窗口进行偏移，使得在一个绝缘层上的每个窗口与相对的绝缘层的两个最接近的窗口等距。
18.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述绝缘层通过以下方式形成：
将绝缘带绕着所述导电层螺旋缠绕；或者
将绝缘带绕着所述线匝螺旋缠绕；
使得螺旋绕组中的间隙形成所述窗口。
19.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，每个绝缘层包括沿着所述绝缘层的长度延伸的单个窗口，并且一个绝缘层上的窗口沿着所述部分绝缘层的宽度相对于另一绝缘层中的窗口偏移。
20.根据权利要求19所述的HTS励磁线圈，其中，所述导电层被弯曲，使得所述导电层的被每个窗口暴露的部分位于相应的绝缘层的平面中。
21.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，每个绝缘层在至少一侧上延伸超出所述导电层。
22.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中：
所述部分绝缘层包括在窗口或每个窗口中的导电插入部；
每个窗口都镀覆有导电材料；和/或
所述导电层包括延伸到窗口或每个窗口中的导电突出部。
23.根据权利要求22所述的HTS励磁线圈，其中，所述导电插入部或突出部填充相应窗口。
24.根据权利要求22所述的HTS励磁线圈，其中，所述导电插入部或突出部仅填充相应的窗口的一部分，并且穿过窗口的所述导电层和线匝之间的电接触仅经由所述导电插入部。
25.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述部分绝缘层包括导电连接带，所述导电连接带位于所述绝缘层的外部并且经由窗口被电连接到所述导电连接带，其中，所述导电连接带被电连接到相邻的线匝。
26.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述HTS励磁线圈是焊剂密封的。
27.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述部分绝缘层包括通过对接部连接的多个部分。
28.一种制造HTS励磁线圈的方法，所述方法包括：
提供HTS电缆，所述HTS电缆包括HTS材料和金属稳定剂；
提供部分绝缘层，所述部分绝缘层包括：
导电层，所述导电层的一侧上涂覆有第一绝缘层并且另一侧上涂覆有第二绝缘层；
每个绝缘层，具有一个或多个窗口，通过所述一个或多个窗口在线匝和所述导电层之间进行电接触；
其中，所述第一绝缘层中的窗口在所述导电层的平面中与所述第二绝缘层中的窗口进行偏移；
将所述HTS电缆和所述部分绝缘层组装在一起以形成HTS励磁线圈，从而经由所述部分绝缘层在所述HTS电缆的线匝之间共享电流。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，提供所述部分绝缘层包括：分离地提供所述导电层和绝缘层中的每一个，并且在HTS线圈的绕制期间形成所述部分绝缘层。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，在线圈的绕制期间形成所述部分绝缘层包括：紧接在将所述部分绝缘层绕制到线圈中之前，利用环氧树脂将所述绝缘层附接到所述导电层，并通过使用经加热的压力辊使环氧树脂固化。
31.根据权利要求28所述的方法，其中，提供所述部分绝缘层包括：
通过粘合剂将所述绝缘层结合到所述导电层；
蚀刻所述绝缘层以形成窗口。
32.根据权利要求28所述的方法，其中，提供所述部分绝缘层包括：提供部分绝缘层的多个部分，并且通过对接部连接所述部分。
33.根据权利要求28所述的方法，其中，提供所述部分绝缘层包括：
提供第一绝缘层；
利用所述导电层覆盖所述第一绝缘层的表面；
将第二绝缘层附接到所述导电层；
在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层中钻出窗口。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，在所述第二绝缘层中钻出窗口包括：钻出穿过所述第一绝缘层、所述导电层和所述第二绝缘层的通孔，并且将绝缘帽施加到每个通孔的靠近所述第一绝缘层的端部。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，提供所述部分绝缘层还包括：
对于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层中的每一个，利用导电连接层涂覆绝缘层的与所述导电层相对的表面，并且其中，在绕制线圈之后，所述导电连接层与所述HTS电缆接触或被焊接到所述HTS电缆。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括：利用导电材料填衬每个窗口，以使所述导电层和相应的导电连接层电连接。
37.根据权利要求33所述的方法，还包括：蚀刻所述导电层以形成多个区域，使得当组装好所述部分绝缘层时，每个区域将所述第一绝缘层中的相应的第一窗口电连接到所述第二绝缘层中的相应的第二窗口，并且每个区域在所述导电层的平面中与其他区域电绝缘。
38.根据权利要求28所述的方法，还包括：对所述HTS励磁线圈进行焊剂密封。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述部分绝缘层中的至少一个具有在至少一侧上延伸超出所述导电层的伸出部，还包括：在焊剂密封的步骤之后，将HTS线圈的该侧加工至使所述伸出部的至少一部分被去除的水平。
40.根据权利要求38所述的方法，还包括：在焊剂密封的步骤之后，对所述HTS励磁线圈进行环氧树脂密封。
41.根据权利要求38所述的方法，还包括：在进行焊剂密封之前，将可移除的掩模施加到HTS线圈的一侧，并且在焊剂密封之后去除掩模。
42.根据权利要求28所述的方法，其中，提供HTS电缆包括：提供多个HTS带，每个HTS带都包括HTS材料，并且连接HTS带以形成电缆。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，将所述HTS带连接在一起以形成电缆的步骤在绕制所述HTS励磁线圈期间执行。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，将所述HTS带连接在一起的步骤包括：
以焊剂涂覆每个带；
紧接在绕制所述HTS励磁线圈之前，使所述HTS带一起通过加热辊。
45.一种托卡马克聚变反应堆，包括：根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述HTS励磁线圈是环形励磁线圈或极型励磁线圈中的一种。
46.一种质子束治疗PBT设备，包括：根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，所述HTS励磁线圈是以下中的一项：
所述PBT设备的加速器的励磁线圈；
所述PBT设备的质子束控制系统的偶极磁体或四极磁体。
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