CN1127050A - 超导磁体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括单晶氧化物超导材料的超导线圈磁体，它可用下面两种方法中任何一种来制造，一种方法包括将结晶的超导材料加工为螺旋形状，另一种方法包括将由粉末形成的坯体加工成螺旋形状，并晶化加工后的坯体。此外，通过将这些线圈层叠，可以制成通过施加外部电流能产生强磁场的氧化物超导磁体。

Description

超导磁体及其制造方法
本发明涉及一种使用氧化物超导材料的超导磁体及其制造方法，氧化物超导材料基本上由REBa2Cu3O7-x(0≤x≤0.3)和RE2BaCuO5组成，其中RE是一种选自由Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu组成中的元素，或这些元素的组合。
现在，通过缠绕Nb-Ti型超导导线作为线圈来制备超导磁体是实用中的主要方法。此外，由Nb3Sn型或V3Ga型超导体材料导线制成的线圈已经被用作超导磁体来产生强磁场。由于这些金属型的超导磁体具有低的临界温度，要用液氦等将它们冷至很低的温度。尽管这些超导磁体作为磁场产生装置具有优良的性能，但因为要将它们冷至很低的温度，所以还没有得到广泛的应用。
另一方面，在发现高温氧化物超导体之后，对由临界温度至少为77K的氧化物超导体材料制备的磁体进行了深入的研究和开发，这种磁体可用液氮冷却来使用，而液氮是一种容易操作的低成本物质。现在普通用于制备超导磁体的方法主要是：将Bi型材料装在一个银鞘中，并对得到的银鞘进行加工制成带状；然后将包括取向的超导材料的银鞘带缠绕成线圈。然而，在77K下，这种带还没有获得足够高的临界电流密度(Jc)，因此它还没有进入实际使用。
与将氧化物超导体加工制成导线，然后将导线缠绕来制备磁体的常规方法不同，已经有人研究了通过热处理而不经塑性变形制备线圈形状的超导体来由氧化物超导体制备磁体的方法，这是考虑了由于脆性引起的氧化物超导体的加工困难问题(见日本专利公开NO.63-261808)。但是，烧结体(尤其是Y型)通常都有许多晶界，它们对超导体而言是一种弱连接，因此不能得到高温的临界电流密度。由这种烧结体制成的磁体在保持超导状态时难以产生强磁场(见日本专利公开NO.63-261808)。
现在，仅有的能用作在77K下，于强磁场中仍有高的Jc的磁体的块状材料是一种由单晶REBa2Cu3O7-x和细分散在其中的RE2BaCuO5组成的材料(即所谓的QMG材料)。通过添加Pt或晶种，现在已经能够制备大的QMG材料的单晶体。
在日本实用新型公开NO.4-15811中首次公开了由QMG材料制成的磁体。在该日本实用新型公报中，通过在圆柱体的QMG超导体中形成切口来制备筒形线圈。该磁体产生的磁场由施加的电流和线圈常数的乘积来确定。线圈常数随缠绕匝数和缠绕方式的变化而改变。当磁体在接近临界电流密度的电流下使用时，通过增加匝数等来增加线圈常数，可以在较低的电流下得到强磁场。从日本实用新型公开NO.4-15811的附图可以看出，考虑所采用的线圈形状，通过降低导线直径和增加匝数很难提高这种筒形线圈的线圈常数。因此，需要开发一种带切口的圆柱体的筒形线圈以外的一种新型磁体，它具有大的线圈常数并且使用QMG材料，以及该磁体的制造方法。
本发明旨在解决上述问题，并提供一种超导磁体，它包括一种由单晶REBa2Cu3O7-x和分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构，其中RE是选自包括Y的稀土元素中的一种或为这些元素的组合，该磁体具有螺旋线圈的形状。该超导体磁体的特征如下：REBa2Cu3O7-x相的晶体取向的C轴方向在40°范围以内，并且该磁体包括微量的Pt和/或微量的Rh；所述的C轴与螺旋平面的法线的夹角小于20°；在螺旋里面部分的导体比在螺旋外面部分的导体截面积要大；并且在形成螺旋的超导体之间的至少一部分间隙中存在树脂，以增强螺旋中的超导体。
此外，本发明还提供了一种超导磁体，它包括多个层叠起来的上述线圈。该超导磁体的特征在于：相邻层的螺旋方向(右旋或左旋)从一层到与其相邻的另一层交替交换；层叠螺旋线圈的端部用具有高电导率的金属相互连接起来，或者层叠螺旋线圈的端部用超导体相互连接起来，该超导体包括其Tf(REBa2Cu3O7-x相的形成温度，比线圈导体的Tf低的REBa2Cu3O7-x相；中间部分的任何一个螺旋线圈的层厚大于两端部分的螺旋线圈的层厚；并且在螺旋线圈至少部分的层间存在树脂以增强每个线圈。
此外，本发明还提供了一种超导磁体，它包括一个超导体的闭合回路，一电流输入端和一个超导开关，其中超导体的闭合回路包括一具有单层螺旋线圈或多层螺旋线圈的线圈和连接上述线圈始端和末端的氧化物超导材料，该材料由单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散其中的RE2BaCuO5构成。
此外，本发明还提供了一种用于制造上述超导磁体的方法，包括以下步骤：由一种氧化物超导材料中切下一片状材料，该超导材料具有由单晶REBa2Cu3O7-x相和分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构，通过在该片状材料中切出螺旋切口将该材料加工成具有螺旋线圈形状。本文中的片状材料用粘合剂固定在支承平板上，并且用喷水切刀螺旋加工片状材料。
另外，本发明还提供了一种制造超导磁体的方法，包括以下步骤：由包含RE、Ba和Cu的氧化物粉末成型为坯体，将坯体加工使其成为螺旋线圈形状，将加工的坯体加热使其成为一种包括211相和液相的半熔融态，在氧化气氛中慢慢冷却加热后的螺旋线圈，形成具有由单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构的超导体材料。本发明还提供了一种方法，其中将另一坯体放置在螺旋坯体之上以盖住螺旋坯体，将这些坯体加热成为含有211相和液相的半熔融态，用晶种来控制结晶取向，并在氧化气氛中缓慢冷却坯体。
本发明还提供了一种制造超导磁体的方法，包括：将用上述方法制成的螺旋线圈层叠起来，使得相邻螺旋线圈的方向(右旋或左旋)从一个线圈到与其相邻的另一个线圈交替变换，并且使这些线圈电连接起来。这里的螺旋线圈的端部用一种超导材料相互连接起来，该超导材料含有REBa2Cu3O7-x超导相，其Tf低于螺旋线圈导体的Tf，以使层叠的线圈变成一个整体的超导体，此外，本发明还提供了一种制造超导磁体的方法，包括：用一种超导材料将由上述任意一种方法制成的线圈始端和末端连接起来，这种超导材料具有由单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构。
图1示出了一个螺旋线圈的外观，(A)和(B)分别是平视图和前视图。
图2是示出螺旋线圈形状和晶体取向之间关系的视图。
图3是一个部分剖面的透视图，示出了层叠螺旋线圈方法的一个实施方案。
图4包括示出了层叠螺旋线圈方法的另一个实施方案的多个透视图，(A)和(B)分别示出了在层叠之前和之后的视图。
图5示出了加工坯体的方法的一个实施方案的透视图。
图6包括示出加工坯体的方法的另一外实施方案的多个视图，(A)和(B)分别是总体透视图和局部放大平面图。
图7示出坯体在炉子中放置的前视图。
图8包括示出用来连接超导体的方法的一个实施方案的多个视图。(A)为透视图，示出了线圈待连接部分处于加工状态，(B)为侧视图，示出了在热处理之后的连接部分。(C)是图8(B)中的部分放大图。
图9是用银浆和增强用树脂涂覆的螺旋线圈的一个实施方案的视图。图(A)是平面图，(B)是图(A)的部分放大图。
图10是平面图，示出了图9所述状态的另一种实施方案。
图11是示出用于层叠螺旋线圈的方法的一个实施方案的视图。(A)示出了层叠前的线圈，而(B)示出了层叠后的线圈。
图12是曲线图，示出了在本发明超导磁体轴向磁场分布的一个实例。
图13是平面图，示出了导体外面部分的截面积小于里面部分的截面积的螺旋线圈。
图14是透视图，示出了连接超导体方法的另一实施方案。
图15是曲线图，示出了在本发明超导磁体的轴上的磁场分布的另一个实施例。
图16是透视图，示出了处于超导状态连接的层叠线圈。
图17是透视图，示出了在图16所示层叠线圈一部分的超导连接的方法。
图18是曲线图，示出了在本发明超导磁体的轴向的磁场分布的另一个实施例。
用于本发明超导磁体的材料具有由单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构。本文中的“单晶”不是指完全单晶的晶体，而是指具有缺陷的单晶，这种缺陷在实用中没有影响，例如小角度倾斜晶界。有REBa2Cu3O7-x(123相)和RE2BaCuO5相(211相)中的RE是指由Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu组成的组中任何稀土元素，或这些元素的组合。含La和Nd的123相有时可能偏离1∶2∶3的化学计量组成，并且RE位有时可以部分地被Ba取代。此外，在211相中，已知La和Nd与Y、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu有某些不同，并且关于金属元素的比例该相具有非化学计量的配比，还有不同的化学结构。
此外，123相是通过下列的211相与Ba和Cu的复合氧化物的包晶反应而形成的：
211相+液相(Ba和Cu的复合氧化物)→123相
通过包晶反应形成123相的温度(Tf：123相的形成温度)与RE元素的离子半径有关。Tf随着离子半径的减小而降低。
在123相晶粒生长过程中，在123相还残留有未反应的211相时，就形成了由单晶123相和细分散在其中的211相组成的QMG材料。也就是说，QMG材料是通过以下反应形成的：
211相+液相(Ba和Cu的复合氧化物)
→123相+211相
从提高Jc的角度来看，211相在QMG材料中的细分散是非常重要的。加入微量的Pt和Rh中的至少一种可抑制在半熔融态(含211相和液相的状态)下211相晶粒的生长，结果使得QMG材料中211相细化。从晶粒细化和材料成本角度考虑，Pt的添加量最好为0.2-2.0％(重量)，而Rh的添加量最好为0.01-0.5％(重量)。加入的Pt或Rh部分地溶在123相中。不能溶入的Pt或Rh与Ba和Cu形成复合氧化物，并散布于该材料中。
本发明的超导磁体地通过把QMG材料加工成平面形式并具有多匝的螺旋形状(蚊式线圈形状)(mosquito-coil-shaped)，并将其减薄，使磁体具有大的线圈常数。通过进一步层叠螺旋QMG材料，可制备迄今为止由筒形线圈难以得到的大的线圈常数(或匝数)的磁体。
具体地说，要求形成线圈的超导体即使在磁场中也要有大的临界电流密度(Jc)。为满足这一条件，要求导体包括不合大角度倾斜晶界的单晶123相，大角度晶界从超导性的角度来看会变成弱连接。此外，为了使超导体具有高的Jc特性，要求123相中阻止磁力线移动的钉扎中心(pinning center)。而细分散的211相正好起到钉扎中心的作用。211相钉扎中心最好能很细并且以较大数量分散。如上所述，Pt和Rh能促进其细化。当211相很细地分散在容易开裂的123相之后，它表现出重要的机械增强功能，使导体可作为块状材料使用。
通过把这种超导体(QMG材料)制成由多个螺旋加工的导体1-1组成的线圈1，如图1((A)：平面图，(B)：正视图)所示，可以相当容易地制成具有大的线圈常数的磁体。尽管作为一个例子图1示出的线圈具有相对小的内部直径，但也可考虑以完全相同形式制成具有较大内部直径的螺旋线圈。尽管具有相对较大内部直径的线圈的匝数减少，并产生较低强度的磁场，但另一方面，它具有可以给出更均匀和更宽的磁场空间。此外，当线圈产生的磁场高达20千高斯时，从由铜线圈和铁芯组成的电磁铁可以看出，通过将铁芯置于线圈的中心，可以提高线圈的性能。此外，尽管图1中示出的是一个近似同心圆的线圈形状，但显然也可以按完全相同方式考虑制成椭圆形、矩形或六角形线圈。
尽管QMG材料不包含大角度的倾斜晶界，存在与几度的小角度倾斜晶界相伴随的晶体取向的波动。波动取决于晶体生长的方向。在a轴方向生长的部分具有相对较大的波动分布，即，在几平方毫米范围内约±6℃的波动，而在相对较大区域内约36℃的波动(参见Proceedings of 5th U.S.-Japan Workshop on HighTc Superconductive，and Advance in Superconductivity II，Springer-Verlag，Tokyo(1990))。本文中所说的单晶123相包括这类小角度倾斜晶界。
123相的晶体结构是两维的，并容易在如图2所示的a-b轴平面开裂。因此，123相容易在a-b轴平面形成裂纹，并且目前仍未能完全避免这种裂纹的形成。为了使裂纹不对超导电流的流动产生影响，最好使裂纹与电流平行，也就是说晶体的C轴与电流2保持恒定垂直(图2所示)。然而，因为在线圈导体中C轴的取向有大约40°的波动，最好使C轴的方向3与螺旋缠绕的线圈平面的法线N的夹角不超过±20°。
此外，当施加电流使线圈磁化时，线圈里面部分导体比外面部分导体暴露在更强的磁场中。另外，Jc通常随着磁场的增强而减小。当向具有相同均匀截面积的线圈施加电流时，处于里面部分的导体首先达到临界状态，使超导功能受到削弱，并使线圈自身受到损坏。因此，根据Jc的磁性质，最好使线圈里面部分导体的截面积较大些。
再有，产生磁场的超导体通过电磁作用受到由其内部指向外部的力(洛伦兹力)。当该力大于导体的强度时，导体就破坏了。为了防止线圈被破坏，需要通过机械粘合来增强导体的相邻部分。用非超导材料填充导体相邻部分之间的间隙，并固定相邻部分，可以有效地将导体相邻部分粘接起来。优选地，在用非超导材料粘接相邻部分时，非超导材料的热膨胀系数与导体相似。热固性树脂是其中一个例子。
通过将上述螺旋线圈层叠起来，将上述层叠线圈的端部接起来，并施加电流，可使各个线圈产生的磁场相互增强，由此可制成所产生的磁场比上述磁体要强的磁体。当同样数目的螺旋线圈层叠起来时，减小螺旋线圈之间的间隙可以使螺旋线圈相互之间靠得更近.从而得到更强的最大磁场。还有另一种得到更强磁场的方法，其中螺旋线圈这样层叠使得螺旋方向相同，如图2所示，每一线圈中的电流2由里面流向外面(或由外面流向里面)，线圈1被片状导体4连接。然而，如图4所示((A)：层叠前的螺旋线圈，(B)：层叠后的螺旋线圈)，通过使层叠线圈的螺旋方向交替变换(右旋(1A，1C)或左旋(1B))，并变换两个相邻螺旋线圈之间的相互连接(即，两外端之间的连接，或两内端之间的连接)，可以使图3中所需的片状导体变得不需要。结果，线圈可以层叠得更近，其程度相当于片状导体的厚度总和。在图4(A)中，参考标号5指连接部位。例如，下列的部位对中的每一对都相互连接起来：线圈1A中心端部的背面5A和线圈1B中心端部的前面5B；线圈1外侧端部的背面5B-1和线圈1C外侧端部的前面5C。
位于层叠螺旋线圈中心部位的螺旋线圈要承受比位于端部的螺旋线圈更强的磁场。因此，当向具有相同截面积的层叠螺旋线圈中施加电流时，位于中心部位的线圈首先处于临界状态。结果，超导被削弱，而且线圈本身被损坏。因此，根据Jc的磁特性，理想的是使位于中心部位的线圈的导体截面积较大。为满足这一要求，最好使位于中心部位的每个螺旋线圈的层厚大于端部螺旋线圈的层厚。
当螺旋线圈层叠起来时，要求它们的端部如上述相互连接起来。当QMG材料被冷却并施加电流时，最好使在连接部分产生的热量为零或非常小。当产生的热量较大时，不仅消耗能量和冷却介质增多，而且产生的热量还降低超导体的超导性，导致超导体被淬火或灼热。为满足上述要求，需要在连接部分形成的电极具有低的接触电阻，并且用具有大电导率的金属来连接螺旋线圈。
为了使在连接部分产生的热量完全为零，要求连接部分的所有电流通道都为超导。通过用单晶QMG材料连接始端和末端使整个磁体成为一个单晶体，并向包括超导体的闭合电路装上导入电流端和超导开关，可以制得以永久电流模式工作的磁体。
在制备本发明的超导磁体的方法中，获得线圈形状的方法分为两类。即，一种是晶化导体材料并将结晶导体材料制成线圈形状(GF方法)。另一种方法是将坯体加工成线圈形状，再晶化加工的坯体(FG方法)。
下面将讨论GF方法的一个实例。用改进的QMG方法制得一个圆柱体材料，该方法属于现在技术(参见Advances inSuperconductivity III，Springer Verlag(1992))。将该圆柱体材料切割得到具有预定厚度的盘。用刀片等切割块状材料，嵌有金刚石粉末的刀片适合用来切割。然后，将QMG盘加工面为螺旋形状。尽管可以用小尺寸的金刚石刀尖对盘进行螺旋加工.但最好使用一种加工性能优良的方法，例如使用喷水切割，其中用从小喷嘴喷射的高压水来切割盘。当用喷水切割来切割时，适合使用一种称为冲蚀(abrasion)的方法，该方法使用水和硬质粉末(金刚砂等)的混合物。此外，为了防止由水压产生的冲击使盘开裂，最好用树脂等将盘固定在不易变形的台上，然后再加工。因为盘的材料可能与水反应，最好在加工之后，将盘材料快速干燥。
下面将讨论FG方法的一个实例。首先，将RE、Ba和Cu的氧化物混合，使得211相与123相的比例成为一个预定的值。在混合过程中添加Pt和Rh能细化最终结构中的211相。用模具等来加工粉末混合物，以得到坯体，由于坯体是生坯，它与结晶的QMG材料不同，可以用钻或者锯很容易地加工。例如，使用线锯可在圆柱体坯体6中以合适的间隔形成切口7，使得坯体6具有图5所示的线圈形状。如图6所示，在坯体6中形成切口时可留下一些未切的部分8，可减小坯体在半熔融状态下产生变形，图6中，(A)是整个视图，(B)是部分放大的平面图。
如图7所示，将已加工成线圈形状的坯体6与具有其它RE组成的坯体9、10、11层叠在一起，并装在一个炉子内。从晶体生长角度考虑，最好使气氛气体能够进入并从线圈形状的坯体6的间隙中出来。由于线圈形状的坯体6有许多切口7，坯体9最好能盖住线圈形坯体6的顶部，使得由晶种生长的晶体通过最短的距离到达线圈形状的坯体6的外面。此外，最好使坯体9所含RE组成的Tf至少等于线圈形状坯体6的RE组成的Tf。
此外，最好使坯体10包括的RE组成的Tf低于线圈形状坯体6的RE组成的Tf，而最好使坯体11所包括RE组成的Tf高于线圈形状坯体6的RE组成的Tf。为了保持层叠坯体在长时间内处于半熔融状态，要求层叠坯体与支撑材料20之间的反应限制在最小程度，并抑制从除晶种以外其它晶体的晶体生长。在冷却过程中，由于坯体11具有较高的Tf，它在较高温度下的早期阶段相对快地结晶，从而避免了与支撑材料20的反应。由于坯体10具有较低的Tf，它可抑制由坯体11的晶体生长。
引晶至少在线圈形状的坯体6的Tf的温度和不超过晶种的Tf的温度下进行。较大的晶种是优选的，因为它更有效。坯体9可与线圈形状坯体6有相同的RE组成。由晶种生长的QMG晶体使坯体9晶化，再晶化线圈形状的坯体6，从而形成线圈形状的QMG晶体。
将线圈形状的晶体冷却至室温，并用金刚石刀片切至预定的厚度。如图6所示，具有未切部分8的线圈形状晶体在切割时受到的机械损伤较小。当晶体没有未切部分时，最好用树脂等增强导体间的间隙，然后切割。
由于在FG方法中坯体(生坯)被加工成为线圈形状，所以FG方法的一个优点就是加工不需要昂贵的设备，可以用廉价的工具来制备线圈。FG方法的另一个优点是线圈形状的晶体释放了机械应力，并且不会产生裂纹，因为在晶体生长之后它具有线圈的形状(弹簧状)。
为了向用GF方法或FG方法制得螺旋超导体施加电流，需要制备电极。最好每个电极具有小的接触电阻。下面叙述制备电极的一个实例。用银浆涂敷预定的位置，加热到从700℃至超导体的分解温度之间的一个温度，再冷却。从工艺的效率考虑，最好使超导体在氧化气氛(优送在纯氧气)中缓慢冷却，以便在冷却时实现富氧处理。这样就可制得带有电极的螺旋QMG超导体线圈。
要求螺旋线圈被机械增强，以抵抗在使用过程中的外力和洛伦兹力。将导体的相邻粘接起来是有效的增强。优送的增强实例是热固性树脂等，固化时体积变化较小的粘接剂以及热膨胀系数与QMG材料相似的材料。此外，根据上述理由，最好也使层叠磁体的每一个层间固定(增强)。
另外为了用超导体来连接每一层，要求每一层的晶体取向与其它层的一致。这样来确定各层之间的相互连接位置，以使各层的晶体取向接近一致。如图8(A)所示来加工线圈连接部位12。如图8(A)所示，在凹槽14中放置坯体13，其RE组分的Tf(Tfz)低于超导体的Tf(Tfc)。将线圈和坯体13加热至温度T(Tfc＜T＜Tfz)，即坯体13处于半熔融状态而线圈不分解，然后缓慢冷却至Tfz温度附近。结果，晶体从相对的层12、12生长进入坯体13，而坯体13中的123相同时生长，如图8(B)和图8(C)所示，图8(C)是图8(B)的部分放大视图。这些晶体聚结在一起形成晶体16(在图中心部分仍有晶体没有生长的部分)，变成为超导体15。这样就制成了相互连接的多层线圈15。
再有，以上述方式在超导体的凹槽放置坯体13并热处理坯体时，制备了连接线圈始端和末端的超导体，该线圈包括单层螺旋线圈或多层螺旋线圈，由此得到具有闭合回路的超导磁体，其中层与层之间的连接和线圈始端和末端的连接实现了超导连接。实施例1
按Y∶Ba∶Cu为13∶17∶24(即，在最终的结构中123相∶211相的分子比为7∶3)的分子比把纯度均为99.9％的市售试剂Y2O3、BaO2的CuO混合。向该混合物中再加入0.5％(重量)的Pt。将粉末混合物在800℃下一次焙烧8小时，并碾磨。用内径85mm的圆筒体模具将焙烧并碾磨的粉末成型为厚约18mm的盘。此外，按与上述制备Y型坯体盘相的方式制备厚度均为4mm的Sm型和Yb型盘。
按照从下往上为Sm型盘、Yb型盘和Y型盘的顺序，将三种盘叠放在炉子内的Al2O3支撑材料20上。将坯体盘在空气中经8小时加热至1150℃，在该温度下保温30分钟，在1小时内冷至1030℃，并在该温度下保温1小时。在加热过程中，用预先制备的Sm型晶种(QMG晶体)来进行引晶。将晶种的解理面放在坯体盘上以使晶种的C轴与盘的法向一致。然后，使层叠的盘在100小时内冷至1005--980℃，以此生长Y型QMG晶体，再在大约15小时内冷至室温，从而得到圆柱体单晶Y型QMG晶体。
用金刚石刀片切割得到的单晶，从而制得厚度为4.5mm的QMG盘。用胶水将盘固定在厚度为8mm的粘土板上。预先编制喷水切割喷嘴的移动程序，使喷嘴沿图1(A)所示的螺旋形的轮廓线移动，使盘和粘土板一起被以大约50mm/分种速度移动的喷嘴切成螺旋形。该盘被一种称为冲蚀的方法切割，其中金刚砂粉末与水一起喷射。
螺旋切割之后，通过加热胶水将得到的QMG线圈从粘土板上取下，并从线圈上将胶水完全地除掉。如图9(A)和9(B)所示，线圈1的两端都用银浆18涂敷。然后将线圈加热至850℃并保温10分钟，并通过使氧气流入炉子进行富氧处理，同时线圈在50小时的时间内从650冷至350℃。线圈冷至室温，并如图9(A)和9(B)所示，用环氧树脂17(商品名Araldite)增强。
这样，制备了具有8匝截面积约为3.5mm(宽)×4.5mm(厚)的导体1-1的一个线圈。通过超声波焊将线圈1的银电极与铜电流接线端相连。将线圈冷至液氮温度(约77K)，并且施加550A的电流，由此在线圈中心成功地产生0.85千高斯的磁场。实施例2
按Y∶Ba∶Cu为25∶35∶49(即，在最终的结构中123相∶211相的分子比为75∶25)的分子比把纯度均为99.9％的市售试剂Y2O3、BaO2和CuO的混合。向该混合物中再加入0.2％(重量)的Rh。将粉末混合物在830℃下一次焙烧8小时，并碾磨。用内径为85mm的圆筒体模具将焙烧并碾磨的粉末成型为厚约25mm的盘。此外，按与上述制备Y型坯体盘相同的方式制备厚度均为4mm的Sm、Dy型和Yb型坯体盘。Y型盘再用等静压压制。将Y型坯体盘加工成如图6(A)和图6(B)所示的部分连接的螺旋形状。螺旋形状是这样来形成的，先在盘上钻一个通孔，在通孔中放一个线锯，用线锯将盘切成螺旋形状。
按照从下往上为Sm型盘、Yb型盘、Y型盘和Dy型盘的顺序，将四种盘叠放在炉子内的Al2O3支撑材料20上，如图7所示。在Yb型坯体盘上制成切口使得Y型坯体线圈内部和整体均被气氛气体所覆盖。坯体盘在空气中于8小时内加热至1160℃，保温40分钟，在1小时内冷至1040℃，再在该温度下保温1小时。在加热过程中，用预先制备的Nd型晶种(QMG晶体)来进行引晶。将晶种的解理面放在坯体盘上以使晶种的C轴与盘的法向一致。然后，使层叠的盘在150小时内冷至1015-975℃，以生长Y型QMG晶体，再在大约15小时内冷至室温。
通过用金刚石刀片切割晶体得到厚度约4mm的螺旋状QMG材料。如图10所示，QMG材料的两端均用银浆18涂敷，加热至880℃，在该温度下保温10分钟，使QMG材料在50小时内从650℃冷至350℃，同时使氧气流进炉子，由此进行富氧处理。QMG材料冷至室温，并如图10所示用环氧树脂17增强。
这样，制备了具有8匝截面积约3.5mm(宽)×4.0mm(厚)的导体1-1的线圈1。将线圈1的银电极与铜电流接线端连接。线圈冷至液氮温度(约77K)，并施加500A的电流，成功地产生了0.90千高斯的磁场。实施例3
按与实施例1相同的方式进行实验，只是按照表1所示改变Y型坯体的RE组成、添加条件，缓慢冷速的条件和线圈厚度。在不进行淬火的条件下，这样获得的具有各自RE组成的每种超导磁体产生的磁场基本上与Y型磁体相等，如表1所示。
                                      表 1
  RE  组成   添加条件     慢冷条件     线圈厚度(mm) 在500A时产生的磁场(kG)
    Gd     Pt  0.4wt.％     1035-995℃0.2℃/hr     3     0.94
    Ho     Pt  0.4wt.％     1000-965℃0.3℃/hr     3     0.95
    Er     Rh  0.1wt.％     980-945℃0.25℃/hr     3.5     0.90
    Dy(50)-Y(50)     Pt  0.4wt.％     1015-975℃0.4℃/hr     3.5     0.89
    Ho(80)-Y(20)     Rh  0.2wt.％     1005-970℃0.15℃/hr     4     0.86
实施例4
按与实施例2相同的方式进行实验，除了如表2所示改变Y型坯体的RE组成、坯体9的RE组成(见图7)、添加条件、慢冷条件以及线圈厚度。这样得到的各种具有各自RE组成的超导磁体在不淬火的条件下产生的磁场与Y型磁体的基本上相等，如表2所示。
                             表2
 RE  组成 添加条件 坯体9的RE组成*     慢冷条件 线圈厚度(mm)   500A时产生的磁场(kG)
    Dy  Pt  0.4wt.％     Dy     1015-975℃0.2℃/hr     3     0.91
    Ho  Pt  0.4wt.％     Y     1000-965℃0.3℃/hr     3     0.93
    Er  Rh  0.1wt.％     Ho     980-945℃0.25℃/hr     3.5     0.89
  Dy(50)-Ho(50)  Pt  0.4wt.％     Dy     1015-975℃0.4℃/hr     3.5     0.91
  Ho(20)-Y(80)  Rh  0.2wt.％     Y     1005-970℃0.15℃/hr     4     0.90
注：*参见图7实施例5
如图11((A)：层叠之前，(B)：层叠之后)所示，将在实施例2中制成的4个Y型螺旋线圈层叠起来。螺旋线圈这样来层叠，使得从上往下看时，在第一和第三螺旋线圈(1A，1C)内电流由中心向外以顺时针方向流动，而在第二和第四螺旋线圈(1B，1D)内电流从外向中心以顺时针方向流动。使用超声波焊铁用低熔点焊料(商标名Celasolder)将第一层线圈1A的中心部位的电极21A和第二层线圈1B的中心部位的电极21B连接起来。类似地，将第二层线圈1B外部的电极21B-1与第三层线圈1C的外部的电极21C连接起来。类似地，还将第三层线圈1C的中心部位的电极21C-1与第四层线圈1D的中心部位的电极21D连接起来。在第一层的外部设置一个电极，在第四层的外部再设置一个电极。将这两个电极与直流电源的电流引线相连。此外，在层间用一种环氧树脂将层叠线圈固定。
将四层磁体浸入液氮中，并充分冷却至77K。当向磁体施加500A的电流时，在层间的电极部位液氮剧烈地沸腾。然而，磁体在其轴向的磁场分布如图12所示。实施例6
将在实施例5中制得的四层线圈放在10千高斯的外磁场中，并注入液氮将磁体冷至77K。然后向磁体施加电流使其产生的磁场与外磁场方向一致。当施加245A的电流时，部分超导体被烧坏。烧坏的部分是第二层由中心部分往外的第二匝的导体部位。该导体部位的超导相(123相)由于受热而完全分解。
按与实施例2相同方式制备螺旋线圈1，而每个线圈的导体1-1的宽度如图13所示按以下方式来确定：中心部位宽5mm，中间部位宽4.5mm，外侧部位宽4mm。每个线圈的厚度或为4mm或为3.5mm。第一层和第四层的线圈厚度为3.5mm。第二层和第三层的线圈厚度为4mm。按与实施例5相同方式将线圈的四层连接起来并增强。
将四层磁体置于10千高斯的外磁场中，并注入液氮使磁体冷至77K。向其施加电流，使产生的磁场与外磁场方向一致。可向其施加400A的电流，这样产生的磁场与外磁场之和在磁体中心部分可达13.8千高斯。从这样获得的结果可知，在中心部位有较大截面积的导体1-1的磁体比具有均匀截面积的导体1-1的磁体更优异。
实施例7
按与实施例2相同的方式制备Y型螺旋线圈，只是省去了用银浆制备电极的步骤以及用环氧树脂增强的步骤。如图11(B)所示，将四个螺旋线圈层叠起来，并在每个层间插入一个厚度为0.2mm的Pt垫片。第一层线圈(线圈1A)和第三层线圈(线圈1C)这样来层叠，使得从上往下看时，电流2在线圈中从中心向外按顺时针方向流动。第二层线圈(线圈1B)和第四层线圈(线圈1D)这样来层叠，使得这些线圈中电流由外面向中心流。如图14所示来加工第一层线圈和第二层线圈的中心端，并装入Yb型坯体13。类似地，以同样的方式来加工第二层线圈和第三层线圈的外端，以及第三层线圈和第四层线圈的内端，并装入Yb型坯体。此外，用银浆涂敷第一层线圈和第四层线圈的外侧端。
将这样层叠的线圈和坯体装在炉子内，在空气中于8小时内加热至960℃，在该温度下保温5分钟，在2小时内冷至930℃，再在120小时内冷至870℃，然后在60小时内在氧气流中由700℃冷至350℃，最后冷至室温，并小心地从炉中将其取出。在导体部分之间的间隙的一部分及层间填充增强用的环氧树脂，并固化。当树脂充分固化以后，取出Pt垫片。用低熔点焊料将第一层线圈和第四层线圈外面的银电极与直流电源的电流引线相连。
将四层磁体浸在液氮中，并充分冷至77K。然后向其施加500A的电流，在层间的连接部位基本上未观察到氮的沸腾状态有明显变化。磁体在轴上的磁场分布如图15所示。实施例8
按与实施例2相同方式制备四个Y型螺旋线圈，只是省去了用银浆制电极的步骤以及用环氧树脂的增强步骤，片状Y型QMG材料如图16所示层叠，并在每个层间插入厚度为0.2mm的Pt垫片。第一层线圈(线圈1A)和第三层线圈(线圈1C)这样来层叠，使得从上往下看时，电流在线圈中从中心向外按顺时针方向流动。第二层线圈(线圈1B)和第四层线圈(线圈1D)这样来层叠，使得这些线圈中电流由外面向中心流。如图14所示来加工第一层线圈和第二层线圈的内端，并装入Yb型坯体。类似地，以同样方式来加工第二层线圈和第三层线圈的外端，以及第三层线圈和第四层线圈的内端，并装入Yb型坯体。
如图16和图17所示，在第一层线圈和第四层线圈的外端以及与线圈外端一致的片状QMG材料19的上端和下端制成类似的凹槽14，并装入Yb型坯体13。在装配线圈时，片状QMG材料19装配成使其晶体取向基本上与第一层和第四层QMG线圈1A和1D的一致。第一层和第四层线圈的外端用银浆18涂敷。
将这样层叠的线圈和坯体装在炉子内，在空气中于8小时内加热至960℃，在该温度下保温5分钟，在2小时内冷至930℃，再在120小时内冷至870℃，然后在60小时内在氧气流中由700℃冷至350℃，最后冷至室温，并小心地从炉中将其取出。在导体部分之间的间隙的一部分及层间的一部分填充增强用的环氧树脂，并固化。当树脂充分固化以后，取出Pt垫片。将这样连接的片状QMG材料用锰铜线缠绕50匝作为加热器，并且用环氧树脂固定锰铜线，以制成一个超导开关。用低熔点焊料将第一层线圈和第四层线圈外部银电极与直流电源的电流引线相连。
将四层磁体浸在液氮中，并充分冷却至77K。然后向锰铜线施加8A的电流，使磁体部分地处于通常的导电状态。然后再向磁体施加500A的电流，并停止向锰铜线供电。以100A/分钟的速率将磁体中的电流降至0。将电流降为0之后约30秒，磁体在轴向的磁场分布如图18所示。这样就证实了处于恒定电流模式的磁体的开启。
如上面所详细描述的那样，本发明可得到高品质的氧化物超导磁体，本发明可用于许多领域。因此，本发明的效果是很显著的。超导磁体的具体例子是实验用的各种磁体，例如马达内的励磁磁体，加速器的磁体，核磁共振的磁体等。

Claims (19)

1.一种超导磁体，包括一种由单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构，其中RE是选自包括Y的稀土元素的一种或为这些元素的组合，该磁体具有螺旋线圈的形状。
2.根据权利要求1的超导磁体，其中REBa2Cu3O7-x相的晶体取向的C轴在40℃范围内，并且所说磁体包括微量的Pt和/或微量的Rh。
3.根据权利要求1或2的超导磁体，其中REBa2Cu3O7-x相的晶体取向的C轴与螺旋平面的法线方向的夹角小于20°。
4.根据权利要求1、2或3的超导磁体，其中螺旋这样来形成，使得螺旋里面部分的导体截面积比外面部分的导体截面积要大。
5.根据权利要求1、2、3或4的超导磁体，其中在形成螺旋的超导体部分之间的间隙的至少一部分中存在树脂，以增强螺旋的超导体。
6.一种超导磁体，包括多个层叠起来的根据权利要求1、2、3、4或5的螺旋线圈。
7.一种根据权利要求6的超导磁体，其中相邻层的螺旋方向(右旋或左旋)交替变换。
8.根据权利要求6或7的超导磁体，其中层叠的螺旋线圈的端部用具有高电导率的金属相互连接起来。
9.根据权利要求6或7的超导磁体，其中层叠的螺旋线圈的端部用超导体连接，超导体包括REBa2Cu3O7-x相，其Tf比线圈导体的Tf(REBa2Cu3O7-x相的形成温度)低。
10.根据权利要求6、7、8或9的超导磁体，其中中央部位的任何螺旋线圈层厚大于两端螺旋线圈的厚度。
11.根据权利要求6、7、8、9或10的超导磁体，其中在螺旋线圈的至少部分的层间中存在树脂以增强每个线圈。
12.一种超导磁体，包括：
一个超导体的闭合回路，该回路包括具有单层或多层根据权利要求1至11中任一项的螺旋线圈的线圈，以及一种含有单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散在其中的RE2BaCuO5、并连接所述线圈的始端和未端的氧化物超导材料，
一电流引入端，和
一超导开关。
13.一种制造超导磁体的方法，包括以下步骤：从具有单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散在其中的RE2BaCuO5相组成的结构的氧化物超导体中切下片状材料，通过在其中形成螺旋切口将片状材料加工成螺旋形状。
14.根据权利要求13的制造超导磁体的方法，其中用粘结剂将片状材料固定在支撑台上，再通过喷水切割来螺旋地加工片状材料。
15.一种制造超导磁体的方法，包括以下步骤：由包括RE、Ba和Cu的氧化物的粉末制成坯体，加工坯体使坯体具有螺旋线圈形状，将加工的坯体加热至含211相和液相的半熔融态，在氧化气氛中缓慢冷却加热的坯体，以形成具有由单晶REBa2Cu3O7-x和细分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构的超导材料。
16.根据权利要求15的制造超导磁体的方法，其中在螺旋坯体上放置坯体以覆盖螺旋坯体，将这些坯体加热至包括211相和液相的半熔融态，用晶种控制晶体取向，并在氧化气氛中缓慢冷却坯体。
17.一种制造超导磁体的方法，包括：将根据权利要求13至16中任一项方法制得的螺旋线圈层叠，使得相邻的螺旋线圈的方向(右旋或左旋)交替变换，并将螺旋线圈电连接起来。
18.根据权利要求17的制造超导磁体的方法，其中用包括REBa2Cu3O7-x相、即一种超导相的材料将螺旋线圈的端部相互连接起来，其中这种超导相的Tf低于螺旋线圈导体的Tf，使得层叠线圈成为一个整体的超导体。
19.一种制造超导磁体的方法，包括：用一种具有由单晶REBa2Cu3O7-x相和细分散在其中的RE2BaCuO5组成的结构的超导材料，将根据权利要求13至18中任一项制得的线圈的始端和末端连接起来。
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