CN112204682A - 超导接头 - Google Patents

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Abstract

一种用于超导磁体的超导接头装置，其中在一个或多个超导线圈(3)的超导导线(2)的超导细丝(21)之间形成长形接头(1)，在长形接头和一个或多个超导线圈之间提供了过量导线(30)。

Description

超导接头
技术领域
本发明涉及超导接头的装置，例如，在用于MRI系统的超导磁体之中的超导接头。本发明还涉及用于在这种超导接头存储过量导线的装置。
背景技术
图1示出了用于MRI系统的常规超导磁体。它包括低温恒温器，低温恒温器包括冷冻剂容器12。在冷冻剂容器12中设置有被冷却的超导磁体10，其自身被固定在外部真空室(OVC)14内。在冷冻剂容器12和外真空室14之间的真空空间内设置了一个或多个热辐射屏蔽罩16。在一些已知的装置中，制冷机17被安装在位于为这一目的而提供的转台18中的制冷机插口15中，朝着低温恒温器一侧。备选地，制冷机17可以位于入口转台内，其固定安装在低温恒温器顶端的入口颈部(排放管)20。在一些装置，通过将冷冻剂重新压缩成液体，制冷机17提供有源制冷以在冷冻剂容器12内冷却冷冻剂。制冷机17也可以用于冷却辐射屏蔽罩16。如图1所图示，制冷机17可以是两级制冷机。第一冷却级热连接到辐射屏蔽罩16，并且提供到第一温度的冷却，典型地在80-100K的区域中。第二冷却级提供使用冷冻剂气体的冷却，冷却到低得多的温度，通常在4-10K的区域中。
负电连接21a通常通过低温恒温器本体被提供到磁体。正电连接21通常由穿过排放管20的导体来提供。
超导磁体10包括电气互连的多个超导导线线圈。这些连接、以及完成线圈和其他电气器材的电气互连所需的其他连接，通常被精心构造，以确保最小的接头电阻和有效的冷却。本发明涉及在这种应用中有用的方法和接头。
本发明的方法和接头至少在超导接头的有效冷却和过量导线的存储的领域中是有优势的。通常，在超导接头的结构内需要有过量导线，以使在超导磁体的生命期期间，接头能够在必要时被恢复原状或重制。
用于有效地冷却超导接头的常规装置包括在冷却设备和接头之间电绝缘但热传导的接口。然而，这样的常规装置的通常缺点是，需要昂贵、复杂、且需要被精密组装的部件。由于需要提供电绝缘和执行电压击穿测试，带来了更高的成本和复杂性。这样的装置的示例在US8253024、US20130090245、US20140024534、US20160086693、CN101414742B中被公开。
在其他已知的解决方案中，在接头和冷冻剂容器或一些其他的被冷却组件之间提供包含冷冻剂(诸如气态或液态的氦、氖或者氮)的冷却管。电绝缘但是热传导的元件必须被提供，以确保冷却管和接头之间的电绝缘。这样的装置具有以下缺点：其要求昂贵且复杂、具有气态或液态冷冻剂的管和容器。这样的组件必须是防漏的，并且被批准用作压力容器。在管和接头之间提供电绝缘的需要进一步引入了复杂性。这样的装置的示例在US8315680中被讨论。
本发明的一方面涉及在接头旁存储过量超导导线。常规做法是将过量超导导线绕成线圈，并且使用与被用于嵌入接头的相同的超导合金使它无法移动。常规地，过量超导导线在金属杯内被绕成线圈，该金属杯被液态超导合金填充，并被允许冷却以凝固。这产生了大的、圆柱形的超导合金体。然而，使用这种大超导合金体可能会产生易导致磁通跳跃的接头。大质量的超导合金将要求长的冷却时间，并且必须提供杯体以包含该合金。必须采取相对高温的步骤，以熔化合金以及将接头浸入其中。当需要重接合步骤时，从接头杯中提取过量超导导线同样是困难和麻烦的。
本发明相应地提供一种超导接头装置，其具有导线存储装置以将接合的超导导线的过量长度存储在接头的附近。即使在缺乏冷却制冷剂浴时，本发明的装置也提供对接头的有效的冷却。
发明内容
如权利要求书所限定的，本发明相应地提供了超导接头和用于制造超导接头的方法。
附图说明
根据以下仅作为示例给出的、对某些实施例的描述连同附图，本发明的上述及其他的目的、特征和优点将变得更清楚，附图中：
图1示出了常规的MRI磁体系统的示例，其包括在低温恒温器内的超导线圈；
图2示出了根据本发明的实施例的超导接头的示例；
图3示出了图2中示出的绘图的一部分的放大；
图4表示接头被铸入固体块的一个实施例。
图5表示本发明的一个实施例，以解释线圈之间的互感的问题。
图6表示图5的变体；以及
图7图示了在某些情况下通过过量导线和超导接头的电流路径。
具体实施方式
本发明相应地提供用于超导磁体的超导接头，其中在超导细丝和一个或多个超导线圈的超导导线之间制作了长形接头，在长形接头和一个或多个超导线圈之间电力地提供了过量导线，其中在一个或多个超导线圈和过量导线之间的位置处，长形接头与超导导线中的至少一根超导导线热接触。
图2示意性地图示了根据本发明的示例实施例的超导接头。超导导线的线圈3形成超导磁体的一部分。它们可以通过图中未示出的冷却设备被冷却，冷却设备可以包括如参考图1所示的制冷剂材料以及制冷机。备选地，对于一些现代超导磁体系统的情况，不提供包含液态冷冻剂浴的冷冻剂容器。例如，通过沿着到冷冻制冷机的热总线的传导，冷却可以被提供给超导导线的线圈3，或者，可以经由如下冷却环路进行冷却：冷冻剂的闭合虹吸，其中冷冻剂在环路中循环并且由冷冻制冷机所冷却。在这样的磁体系统中，没有液态冷冻剂浴以维持接头在超导温度。本发明旨在提供一种有效的方式来冷却超导磁体系统中的超导导线之间的接头，与此同时，提供在必要时重制接头所需的过量超导导线的存储。
接头1从两个超导导线2制作，它们自身形成超导导线的线圈3的一部分，通常，每根导线来自一个相应的超导导线的线圈3。如图2所示，导线2的“尾部”可以在它们的一部分长度上被封闭在相应的绝缘套管20中。绝缘管套可以是PVC管、尼龙编织物或者搪瓷涂层。接头1被形成在尾部的端部。
如在本领域中众所周知，并且在图3中图示的那样，超导导线2通常包括长形超导细丝21，其嵌入在导体(诸如铜、银、铝等)的护套22内。在每根导线的自由端，护套22在显著的长度(诸如10到30厘米)之上被去除，以暴露细丝21。例如，这可以经由氟化氢蚀刻以去除护套22的材料以及清洁细丝21的表面来实现。因此，超导细丝在一定的长度之上被暴露。
将被接合的导线的细丝被拧或编到一起以形成长形超导接头1。拧好或编好的细丝然后可以被镀锡(例如用铟)，以帮助超导细丝经由超导合金的表面湿润性。长形接头1然后可以用焊料涂覆，优选地，用诸如铅-铋的超导焊料。长形接头1然后可以被放置为与超导导线2中的至少一根超导导线热接触(在这一示例中，通过被缠绕在超导导线2周围，在相应的至少一个护套22的末端23和超导线圈3之间)。如图2所示，在超导线圈3和长形超导接头1的第一端之间，接头1被热附接到导线2的金属护套。在相应的至少一个护套22的末端23(图3)和超导线圈3之间，长形超导接头1可以被热附接到超导导线2中的至少一根超导导线，但是，用不同与缠绕的方式，在长形接头1和超导导线2中的至少一根超导导线的护套22之间，应当建立有效的热接触，在相应的至少一个护套22的末端和超导线圈3之间。除了所描述的热接触外，长形接头1还应当被牢固地、机械地固定，因为任何自由移动会引起接头的失超，这是导线的护套材料内的感应涡流所导致的。热附接可以通过使用细捆绑线14(诸如铜、铝、或银的)将接头捆绑到导线来改进。由此保证了接头1与超导导线的线圈3之间的良好的热接触。在接头1中出现的任何热量都将被传导到导线2，并且然后沿着导线，因此传导到超导导线的线圈3。通过为冷却超导导线的线圈3所提供的冷却布置带走了这样的热量。
根据本发明，该装置提供相对较短的从长形超导接头1到被冷却线圈3的热量传输路径。在没有本发明的装置时，热量会不得不从长形接头1沿着过量导线30的长度传递到达被冷却线圈。本发明提供在长形超导接头和被冷却线圈之间的降低得多的热路径，提高了对长形超导接头的冷却的有效性，以及降低了由长形超导接头引发的失超的可能性。
使用在接头中使用的相同焊料，长形超导接头1可以被焊接到导线2，由此提供在接头和导线2之间非常有效的热链路，以及针对接头的非常有效的机械支撑。在一定程度上，捆绑线27的使用提供了这些优点。在某些实施例中，可以使用捆绑线和焊料。
接头1被形成在超导细丝的显著的长度之上(例如10到30厘米)。这将确保低接头电阻和高电流处理能力。
优选地，接头1被热链接到相对接近超导导线的线圈3的导线2，确保在接头1和超导导线的线圈3之间有效的热耦合。
在备选的一些实施例中，在长形接头1和至少一根超导导线2之间的热的和机械的接触可以通过夹紧、压紧、或用适当的粘合剂(诸如可以从Henkel有限公司获取的LOCTITE(RTM)STYCAST(RTM)树脂)来粘紧而获得。
接头可以位于真空区域中，或者在图1中图示的冷冻剂容器内。然而，如果位于冷冻剂容器内，则可以通过邻近的冷冻剂材料的沸腾或者对流提供冷却。
如上面解释的，通过未图示的冷却设备将超导线圈3冷却到冷冻温度，其足够冷以实现超导线圈3超导工作。与导线2的护套22热连接的接头1通过沿着到被冷却超导线圈3的那些护套的热传导而被冷却。
护套22是导热材料的，诸如铜、铝、银或者这些材料中的一些材料或全部材料的组合。长形接头1可以与超导导线2的护套22产生电接触以及热接触和机械接触，从而护套22和长形接头1将处在相同的电压。护套22的导热性将热量从长形接头1带到超导线圈3。
图7图示了在超导工作时，在失超之后，通过本发明的超导接头的电流路径。在正常超导工作中，电流沿着路径71流动。路径71跟随一根接合的超导导线2到长形超导接头1，穿过长形超导接头1，并且跟随另一根接合的超导导线2出来。
在失超之后，超导导线和长形超导接头1变得有电阻。通常，在这个状态中，金属护套22比细丝21的电阻更小。在失超之后，电流沿着路径72流动。路径72跟随一根接合的超导导线2、但是沿着金属护套22，而不是沿着细丝21流动。在长形超导接头1处，电流优先地从一根导线的金属护套22传输到另一个根导线的金属护套22，通过焊料(如果存在)，并且跟随另一根接合的超导导线2出来。
如图2所图示，长形接头1可以在转折点24处被对折，以使长形超导接头1的末端25的位置比转折点24更接近护套22的末端23。必须注意，在转折点24处曲率半径不能太紧以致于可能损坏长形接头1的超导细丝21。
本公开的接头的组装可以由捆绑线26(例如铜导线的)，以将导线2固定在一起，和/或捆绑线27(例如铜导线的)，以固定长形超导接头1与导线2的护套22机械接触。在一个实施例中，长形超导导线1可以从用焊料(诸如超导焊料)涂覆的超导细线形成，然后长形超导接头1可以缠绕在导线2周围，如图2所图示，并由捆绑线27固定住。
在一个备选的实施例中，进一步的焊接步骤可以被应用以将长形接头焊接到导线2的护套22，以提供改进的在长形接头1和导线2之间的热传导。优选使用超导焊料，诸如铅-铋或者铟-锡。这样的进一步的焊接步骤可以先于、跟着或者代替用捆绑线27将用长形接头1捆绑到导线2的护套22。
在一个实施例中，如图4所图示，提供了铸模40；长形接头1以及至少一根超导导线2的邻近部分位于铸模内，并且铸模用填充有超导焊料42(诸如铅-铋、或者铟-锡、或者其他超导合金或化合物)，并且长形接头1以及至少一根超导导线2的邻近部分被铸入超导合金或化合物42的固体块中。在一个具体的实施例中，铸模40是U形铸模，但是为易于浇注熔融的合金或化合物，在恰当时可以使用其他形状的铸模。
根据本发明的特征，如图2所图示，展现了过量导线30的一段长度，形成在超导线圈3和长形接头1之间的导线2的部分。在本发明的实施例中，过量导线30可以具有约90厘米的长度，其为重制长形接头1多至3次的充足长度。如图所示，套管20的一段或多段长度可以置于过量导线30之上。
过量导线30被提供为回路，包括电力地在长形接头1和超导线圈3之间的导线2。在该图示的实施例中，并且优选地，过量导线30可以被缠绕成8字形构型，以降低由过量导线30产生的电流回路和由MRI系统的主恒定电流产生的电流回路之间的磁场耦合(互感)。这将参考图5到图6进一步地解释。
如本领域众所周知的，以及参考图2中示出的8字形构型的两个回路32、34，当第一回路32封闭的面积等于第二回路34封闭的面积时，最小磁场耦合将出现。其他一些实施例可以具有三个或四个回路，如果有的话，条件是封闭在第一回路和第三回路中的总面积需要等于由第二回路和第四回路封闭的面积。应当在8字形构型的(多个)交叉点处提供电绝缘，以防止在该点处相应的导线的电护套之间的电传导。
在图5中图示的实施例中，并且优选地，第一回路32封闭的面积与第二回路34封闭的面积相同。这最小化了磁体回路L1 35之间的互感，包括表示整个超感磁体的电流路径，以及包括第一回路32和第二回路34总和效应。由于第一回路32和第二回路34有相等的封闭面积，但是在相反的方向运送电流，它们的效果基本抵消。图6图示了单个回路L2’37，如果其代替包括第一回路32和第二回路34的L2来使用，会导致回路L1和L2’之间不期望的磁耦合。
如果如上文构造，回路L2的第一回路32和第二回路34是本质无电感的，条件是在长形超导接头1处接合的两根导线2需要彼此接近并且平行。
在其他一些实施例处，如图6中图示的单个回路L2’37的使用是可能的，条件是单个回路L2’37被对齐为与由磁体回路L1 35生成的磁场精确地平行。在这样的情况中，不需要将过量导线30布置成8字形回路，因为磁体回路L1 35和单个回路L2’37的过量导线之间的互感会接近零。应当注意，要避免单个回路L2’36和任何在磁体外部的磁场源之间的互感。
作为可以如上述所布置的小互感的结果，由超导磁体的磁场作用在过量导线30的8字形布置上的净力也被最小化。这简化了安装布置，并且是有益的。
优选地，在任何情况中，包含过量导线30的回路被形成为平的，大致平面的结构。在具体实施例中，包含过量导线30的回路位于OVC14里面，以使由超导磁体10产生的磁场与包含过量导线30的回路的平面大致平行，以最小化超导磁体10和包含过量导线30的回路之间的磁耦合。
也可以考虑到其他磁场的效应，以使总体局部磁场与非电感缠绕的绕组的平面大体平行。这样的布置使在非电感缠绕的绕组中感应的电流最小化，该电流由于外部场的变化造成的，该变化作为超导磁体和与超导磁体项关联的其他线圈通电的结果。例如，梯度线圈产生快速变化的磁场，其可以比主磁体场中的任何可能的变化具有用于在过量导线30的(多个)回路上感应电流的更大电势。
在实践可能的情况下，尽量将超导导线2限制在位置中是重要的。如果超导导线是自由移动的，任何移动会发生在超导线圈的磁场内，并且因此会在导线中感应电压，其可以引起对磁体磁场的干扰，并且甚至可以导致磁场的失超。
在该图示的实施例中，这通过使用尼龙电缆扎带26来实现。
在一个备选的实施例中，过量导线30可以被缠绕在为此目的提供的固定柱周围。如将对本领域技术人员显而易见的，用于固定过量导线在位置中的其他工具可以被采用。
在一个示例实施例中，发明人发现，根据本发明的接头，在超导状态中使用时具有小于10-12欧姆的电阻，这在高达1000安培的电流的情况下提供不多于10-6瓦的功耗。这一低水平的功耗，结合接头和超导导线的线圈3之间的高导热性，意味着接头的温度上升非常少。
在E.W.Collings和M.D.Sumption的"Stability and AC Losses in HTSC/AgMultifilamentary Strands"Applied Superconductivity Vol.3,No.11/12,pp.551-557,1995中讨论了磁通跳跃现象。
磁体接头的磁通跳跃可能导致整个磁体的失超，并且所以应当在合理可能的情况下尽量被避免。
从磁通跳跃的绝热理论可以示出，典型的磁通跳跃的大小与以下各项成正比例：特定的热量C，临界温度Tc和工作温度T之间的差；并且与超导体的临界电流密度Jc成反比(等式1)：当超导合金的尺寸大于aFJ时，磁通跳跃是可能的。
Figure BDA0002805100550000091
经常，在超导接头中使用的、在超导合金42的工作温度T处的C、TC和JC的组合要求特征尺寸aFJ小于10到20毫米。这一尺寸的约束使存储嵌入在超导合金42中的接头的超导导线的过量长度30变得非常有挑战性。
根据本发明的至少一个实施例，过量导线30存储在8字形回路中。用这种方式布置过量导线存储30允许将超导合金42的尺寸到降低到低于特征尺寸aFJ。在图4的实施例的情况中，这意味着超导材料的尺寸在与导线2垂直的方向上小于20毫米，并且优选地小于10毫米。降低超导合金42的尺寸降低了在接头的超导材料42中磁通跳跃的趋势。将在局部磁场的方向中的超导材料42的尺寸限制到低于20毫米，并且优选地低于10毫米，导致抗磁通跳跃的绝热稳定性。

Claims (23)

1.一种用于超导磁体的超导接头装置，其中长形接头被制成在一个或多个超导线圈(3)的超导导线(2)的超导细丝(21)之间，过量导线(30)被设置在所述长形接头和所述一个或多个线圈之间，
其特征在于，在所述一个或多个超导线圈和所述过量导线之间的位置处，所述长形接头与所述超导导线中的至少一根超导导线热接触。
2.根据权利要求1所述的超导接头装置，其中在所述一个或多个超导线圈和所述过量导线之间的位置处，所述长形接头与所述超导导线中的至少一根超导导线电接触。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的超导接头装置，其中所述长形接头由捆绑线(27)捆绑到所述超导导线中的至少一根超导导线。
4.根据任一前述权利要求所述的超导接头装置，其中所述长形接头包括超导焊料(42)。
5.根据权利要求4所述的超导接头装置，其中所述长形接头被焊接到所述至少一根超导导线。
6.根据权利要求4所述的超导接头装置，其中所述长形接头(1)和至少一根超导导线(2)的邻近部分被铸入超导合金或化合物(42)的固体块中。
7.根据权利要求6所述的超导接头装置，其中所述超导合金或化合物(42)的固体块在垂直于所述至少一根超导导线(2)的方向上的尺寸小于20毫米。
8.根据权利要求7所述的超导接头装置，其中所述超导合金或化合物(42)的固体块在垂直于所述至少一根超导导线(2)的方向上的尺寸小于10毫米。
9.根据任一前述权利要求所述的超导接头装置，其中所述过量导线以8字形回路构型被保持。
10.根据权利要求4所述的超导接头装置，其中所述过量导线通过多个电缆扎带(26)以所述8字形回路构型被保持。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的超导接头装置，其中所述8字形回路构型是大致平面的，并且所述8字形回路构型的平面被布置为与超导磁体的磁场平行。
12.根据权利要求2所述的超导接头装置，其中在所述一个或多个超导线圈(3)和所述过量导线(30)之间的位置处，所述长形接头(1)与两根超导导线(2)电接触，并且其中，在失超的情况下，电流能够从所述两根超导导线中的一根超导导线流到所述两根超导导线中的另一根超导导线，而不流过所述过量导线的长度。
13.一种用于形成用于超导磁体的超导接头装置的方法，包括以下步骤：
-提供从一个或多个超导线圈(3)延伸的超导导线(2)，每根超导导线包括超导细丝(21)，所述超导细丝(21)被包入导热套体(22)；
-通过在每根超导导线的自由端处去除所述套体，暴露超导细丝的长度；
-将所述超导细丝形成到接头(1)中；
-在所述线圈和所述接头之间的位置处，将所述接头附接为与所述导线中的至少一根导线热接触。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述线圈和所述接头之间的位置将所述接头附接为与所述导线(2)中的至少一根导线热接触的步骤包括：形成长形超导接头(1)，并且在对应的至少一个套体(22)的末端(23)和所述超导线圈之间，将所述长形超导接头(1)缠绕在超导导线(2)中的至少一根超导导线周围。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中过量导线(30)的长度被留在所述线圈和所述接头之间，并且所述接头被附接为在所述线圈和所述过量导线之间的位置处与所述导线热接触。
16.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，其中所述长形接头在转折点(24)处被对折，使得所述超导接头的末端(25)被定位成比所述转折点(24)更靠近所述套体的末端(23)。
17.根据权利要求13至16中的任一项所述的方法，其中所述长形接头从以焊料(42)涂覆的超导细丝被形成，如此形成的所述长形接头然后被缠绕在所述导线周围，并且通过捆绑而被捆绑就位。
18.根据权利要求13至16中的任一项所述的方法，其中所述长形接头被焊接到所述导线的所述套体(22)。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述长形接头(1)和至少一根超导导线(2)的邻近部分被铸入超导合金或化合物(42)的固体块中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述超导合金或化合物(42)的固体块在垂直于所述至少一根超导导线(2)的方向上的尺寸小于20毫米。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述超导合金或化合物(42)的固体块在垂直于所述至少一根超导导线(2)的方向上的尺寸小于10毫米。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述过量导线(30)被缠绕成8字形构型。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述8字形回路构型是大致平面的，并且所述8字形回路构型的平面被布置为与超导磁体的磁场平行。
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