CN112912973B - 高温超导体磁体 - Google Patents

Abstract

一种高温超导体HTS磁体，包括由嵌套式同心绕组形成的线圈。每个绕组都包括HTS材料。HTS磁体还包括导体元件，该导体元件包括电接触表面，通过所述电接触表面向绕组中的至少一个的一部分供应电流。该表面大致围绕绕组中的至少一个的路径在导体元件与线圈的轴向边缘之间提供电接触。

Description

高温超导体磁体

技术领域

本发明涉及高温超导体(high temperature superconductor，HTS)磁体。具体地，本发明涉及到HTS磁体的电流的供应。

背景技术

超导材料通常分为“高温超导体(HTS)”和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(诸如Nb和NbTi)是金属或金属合金，其超导性可以通过BCS理论进行描述。所有低温超导体都具有低于约30K的临界温度(在其上即使在零磁场中材料也不具有超导性的温度)。HTS材料的行为不通过BCS理论进行描述，并且这种材料可能具有高于约30K的临界温度(尽管应该注意的是，定义HTS材料的是超导操作和成分方面的物理差异，而不是临界温度)。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，诸如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常为Y或Gd)。其他HTS材料包括铁的磷族元素化物(例如，FeAs和FeSe)和二硼化镁(MgB₂)。

ReBCO通常被制造成带，其结构如图1所示。这种带100通常大约为100微米厚，并且包括基底101(通常为被电抛光的“哈氏合金”，大约50微米厚)，在该基底上通过IBAD、磁控溅射或另一合适的技术沉积厚度大约为0.2微米的一系列缓冲层(称为缓冲叠层102)。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术被沉积)覆盖15缓冲叠层，并且通常为1微米厚。1至2微米的银层104通过溅射或另一合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层105(或“包层”)通过电镀或另一合适的技术沉积在带上，其通常完全封装带。电流通常通过包层耦合到带100中。

基底101提供了可以通过制造线进送并允许后续层的生长的机械骨架。缓冲叠层102需要提供上面生长有HTS层的双轴纹理晶体模板，并防止元素从基底到HTS的化学扩散，这损害其超导特性。银层104需要提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且稳定剂层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供可选的电流路径。

HTS磁体可以通过将HTS带(诸如上述ReBCO带100)缠绕成线圈来形成。这种HTS磁体中的常见故障点是各个带或线缆从绕组封装脱离进入接头(即电连接)区域的地方。

图2示意性地示出了与包括HTS带100的线圈201的“常规”电接头。线圈201的外部绕组已经部分地背离绕组封装被部分拉动，以产生“悬空引线”202。电接头固定件203被应用于悬空引线202，以便向线圈201供应电流。

在悬空引线接头中，如图2所示，HTS带在电磁(EM)力和热收缩作用下容易发生周期性移动，从而所述悬空引线接头在正常操作期间劣化。通常，HTS带的这些“暴露”区段也处于另外的风险下，因为在临界电流劣化的情况下，没有与所述暴露区段共享电流的相邻的HTS匝(绕组)，这意味着这些区段不能受益于紧邻主绕组封装以便获得热量和/或电流耗散。

在磁体缠绕和组装过程期间，这些悬空引线区域也容易受到损坏，这是因为各个带是脆性的并且容易因操作不当而弯曲。而且，在悬空引线方案中，通常的情况是必须制造昂贵的精密加工零件，以在悬空引线背离绕组封装移动并移动到接头固定件时引导和支撑悬空引线。

超导磁体中可能出现的另一问题是失超。当超导线或线圈的一部分进入电阻状态时，发生失超。这可能由于温度或磁场的波动、或者超导体中的物理损坏或缺陷(例如，如果磁体用于聚变反应堆，则由于中子辐射)而发生。由于磁体中存在高电流，因此当甚至超导体的一小部分变成电阻时，所述超导体的一小部分会迅速升温。如上所提及那样，超导线设有一些铜稳定剂以便获得失超保护。在超导体变得正常的情况下，铜为电流提供了可选的路径。存在的铜越多，温度在失超导体的区域周围形成的热点中上升得越慢。

因此，需要一种避免或减轻这些缺点中的一些或全部的HTS磁体。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决或至少减轻了上述问题的HTS磁体。

根据本发明的第一方面，提供了一种HTS磁体。HTS磁体包括：线圈，该线圈由嵌套式同心绕组形成，每个绕组都包括HTS材料；以及导体元件，该导体元件包括电接触表面，通过所述电接触表面向绕组中的至少一个的一部分供应电流。该表面大致围绕绕组中的至少一个的路径在导体元件与线圈的轴向边缘之间提供电接触。

每一个绕组都可以包括HTS带和电连接到HTS带的包层，电接触被提供给包层。

电接触表面可以围绕绕组中的至少一个的路径的多于20％、多于50％或多于80％提供与线圈的轴向边缘的电接触。电接触表面可以是环形的。

HTS磁体可以包括延伸跨过其他绕组中的一个或多个的板，导体元件与板一体形成或设置在该板上。导体元件可以从板的面突出，并且板还包括介电层或电阻层，所述介电层或电阻层用于使板的所述面与所述其他绕组中的所述一个或多个的所述部分电绝缘。

如本文所用，术语“电阻”层是指具有大于导体元件与线圈之间的电阻和线圈的匝之间的电阻(即线圈的径向电阻)的的电阻的层。然而，电阻层可以是导热的，从而允许热量更有效地从线圈传递(或传递到线圈)。电阻层可以是或者可以不是介电层。在电介质容易受到辐射损伤的情况下，例如当线圈是托卡马克聚变反应堆的一部分时，非电介质但电阻层可能是优选的。

HTS磁体可以包括界面导体层，所述界面导体层横跨一个或多个其他绕组延伸，以从该绕组或每个绕组的边缘传递热量和/或电流。界面导体层可以包括黄铜和/或不锈钢。也可以使用其他“可钎焊”金属(即上面可以附着有焊料的金属)，以便提供电接触。界面导体层可以通过改变其厚度而被图案化，例如，以产生“网状”图案。

线圈可以包括绕组之间的电绝缘部。

HTS磁体可以包括设置在板与线圈之间的一个或多个传感器和/或一个或多个加热器。

电接触表面可以向线圈的最内侧绕组或最外侧绕组提供电接触。电接触表面可以提供绕组中的间断部两端的电接触。例如，如果线圈由两个长度的HTS带形成，则电接触表面可以用作电接头以串联连接带。

HTS磁体可以进一步包括另一导体元件，该另一导体元件包括用于从绕组中的另一至少一个的一部分接收电流的电接触表面。该表面大致围绕绕组中的另一至少一个的路径提供到线圈的轴向边缘或另一轴向边缘的电接触。电接触表面可以向线圈的相反面提供电接触。

HTS磁体还可以包括一个或多个额外的线圈，该额外的线圈或每个额外的线圈具有导体元件，所述导体元件用于提供到所述线圈的相对置的面的电接触，线圈轴向堆叠并通过其各自的导体元件彼此电连接。相邻的轴向堆叠的线圈可以以相反的方向缠绕。

HTS磁体可以包括两个或更多个同心嵌套式线圈，所述线圈每一个都具有相应的导体元件，每个线圈通过线圈的相应的导体元件之间的电连接而电连接到相邻的线圈。电连接可以是柔性的，以适应线圈相对于彼此的移动。HTS磁体可以包括位于相邻线圈之间以用于断开径向力的一个或多个中间支撑件。

相邻线圈的相应HTS带可以在厚度、成分、宽度、和数量中的一个或多个方面不同。

根据本发明的第二方面，提供了一种HTS磁体，该HTS磁体包括：第一线圈和第二线圈，每个线圈由嵌套式同心绕组形成，每个绕组包括HTS材料；和第一导体元件和第二导体元件，每个导体元件提供线圈之间的电连接。每个导体元件包括：第一电接触表面，通过该第一电接触表面向第一线圈的绕组中的至少一个的一部分传递电流或从所述部分传递电流；和第二电接触表面，通过该第二电接触表面向第二线圈的绕组中的至少一个的一部分传递电流或从所述部分传递电流。每个表面大致围绕绕组中的至少一个的路径在相应的导体元件与相应的线圈的轴向边缘之间提供电接触。

由第一导体元件提供的电连接的电阻除以由第二导体元件提供的电连接的电阻可以大于1.5、大于3或大于10。第二导体元件的电接触表面的面积可以大于第一导体元件的电接触表面的面积。

第一导体元件可以位于第二导体元件的径向外侧。这可以允许第一导体元件被放置在较低磁场的区域中。

第一导体元件或第二导体元件可以包括可变电阻器或开关。可变电阻器或开关可以包括HTS材料。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括如上所述的HTS磁体的托卡马克装置。HTS磁体被配置成提供环形磁场或极向磁场。

根据本发明的第四方面，提供了一种在上述HTS磁体中生成半持续电流的方法。该方法包括：制备处于超导状态的每一个线圈；将电源并联连接在线圈两端；以及断开电源。

第二导体元件可以包括HTS材料，并且该方法可以包括：在将电源并联连接在线圈两端之后，将HTS材料从正常状态改变到超导状态。

根据本发明的第五方面，提供了一种与包括由嵌套式同心绕组形成的线圈的HTS磁体进行电连接的方法，每个绕组包括HTS材料。该方法包括：施加介电层或电阻层以部分地覆盖线圈的面；将导体板施加到介电层或电阻层上；以及大致围绕绕组中的至少一个的路径在导体板与线圈的轴向边缘之间形成电接触。

该方法还可以包括：在介电层或电阻层与线圈之间施加界面导体层，该界面导体层横跨其他绕组中的一个或多个延伸，以从该绕组或每个绕组的边缘传递热量或电流。

根据本发明的第六方面，提供了一种用于将电流供应给由嵌套式同心绕组形成的线圈的轴向边缘的导体板。导体板包括与板一体形成的环形导体元件，或者所述导体板上设有环形导体元件。导体元件包括用于在导体元件与线圈之间提供电接触的电接触表面。导体元件还包括介电层或电阻层，所述介电层或电阻层位于导体板上，以用于提供邻近电接触表面的电绝缘屏障。

导体板还可以包括界面导体层，所述界面导体层部分地或全部地横跨介电层或电阻层延伸。界面导体层被配置成从该绕组或每个绕组的边缘传递热量或电流。

根据本发明的第七方面，提供了一种制造导体板的方法，所述导体板用于将电流供应给由嵌套式同心绕组形成的线圈的轴向边缘。该方法包括：提供与板一体形成或设置在所述板上的环形导体元件，该导体元件包括用于在导体元件与线圈之间提供电接触的电接触表面；以及将纤维和树脂的复合物固化在导体板上，以在导体板上形成介电层或电阻层，以用于提供邻近电接触表面的电绝缘屏障。

固化可以包括：将复合物加热到目标温度，保持复合物处于目标温度持续一时段，以及冷却复合物。

加热的速率可以小于每分钟1℃，优选地小于每分钟0.3℃。冷却的速率可以小于每分钟1℃，优选地小于每分钟0.4℃。目标温度可以大于或等于180℃。所述时段可以大于1小时，并且优选地大于2小时。

本文还描述了一种形成与铜表面的电连接和/或热连接的方法，包括：在铜表面上提供银层，并在银表面上提供铟层，由此可以形成与铟层的电连接和/或热连接。本文还描述了一种电和/或热接头，该电和/或热接头包括铜表面、银层和铟层，银层直接位于铜表面与铟层之间。

附图说明

图1是现有技术的HTS带的示意性透视图；

图2是现有技术的悬空引线接头的示意性平面图；

图3A和图3B是HTS磁体的示意性平面图；以及

图4是HTS磁体的示意性横截面图；

图5是HTS磁体的示意性横截面图；

图6是带有径向接头的HTS磁体的示意性径向横截面图；

图7是具有多个“堆叠”线圈的HTS磁体的示意性径向横截面图；

图8是另一HTS磁体的示意性横截面图；

图9是图8的HTS磁体的示意性横截面图，示出了当电源并联连接在线圈两端时流动通过磁体的电流；以及

图10是图8和图9的HTS磁体的示意性横截面图，示出了电源已经被断开后流动通过磁体的电流。

具体实施方式

在此提出了以上问题的解决方案，其中通过线圈的轴向边缘与HTS磁体线圈进行电连接，以使得可以通过线圈的面供应或接收电流。这种形式的连接允许保留HTS带的密集绕组封装，以使得HTS带中没有一个HTS带会脱离线圈。例如，电连接可以由位于线圈的面的顶部上的呈环形状的导体提供，且导体围绕线圈的圆周接触绕组的面向向上的边缘。这种布置或“环形接头”可以用于在组装和操作两者期间最小化磁体中的点故障的风险。这种布置或“环形接头”还允许在不需要悬空引线的情况下向HTS线圈供应电流或从HTS线圈提取电流，从而消除了对许多辅助零件的需求，降低了成本和复杂性，并简化了HTS磁体的制造。如下所述，这种连接或接头也可以改善HTS磁体的性能。

尽管在本文档中参考了某些方向(例如，上、下)或相关术语(例如，上方、在……的顶部上、下方等)，但是应当理解的是，这些术语仅用于提供本文描述的构思的示例。类似地，虽然本公开是参照“盘形”线圈(即，由嵌套式同心绕组形成的大部分平面线圈)来例示的，但是从下面的讨论中可以理解的是，本公开不限于这种线圈。

将环形接头集成到更大的结构中(以下被描述为电热界面(Electro-ThermalInterface，ETI)板)还允许热连接部、电绝缘部和传感器(它们传统上通常单独地被应用于磁体)作为单个单元被提供。这简化了组装过程，并允许这些部件独立于HTS线圈制造。

图3A和图3B示出了用于盘形线圈301的环形接头300A、300B的两种可能的实施方式的示意性平面图。

线圈301包括呈主要平面布置的HTS带100的嵌套式同心绕组。HTS带100被“面对面”缠绕，以使得带100的相对边缘沿着线圈的轴线303突出。每个完整的绕组对应于HTS带100绕着线圈轴线303的完整圈(匝)。最外侧绕组的起点和终点在图3A中以301A和301B标出。

环形接头300A、300B由相应的环形导体304A、304B形成。为了清楚起见，环形导体304A、304B被示出位于线圈301的后面，以便示出线圈绕组。每个环形导体304A、304B包括由导电材料(优选地诸如铜的金属)制成的环空或环。环形导体200A、200B接触绕组的上边缘或下边缘，以便提供与线圈201的电接触。环形导体300A位于线圈201的外径处，而环形导体200B位于线圈201的内径处。每个环形导体200A、200B仅覆盖绕组的一部分，以使得电流可以被供应到线圈201的一个端部，并且从而循环通过绕组。

由于环形导体300A、300B每一个都提供与HTS带100的不同端部的电接触，所以所述环形导体可以成对使用，以从线圈301的内部到外部径向驱动电流(反之亦然)。例如，线圈201可以设置(被夹在)一对环形导体304A、304B之间，以使得电流可以由一个环形导体304A被供应到线圈301的一个面(例如，顶部)，穿过线圈301的绕组以生成磁场，并然后从线圈的另一面被另一环形导体304B接收。

选择环形导体304A、304B的径向宽度，以在接头之间的接头电阻和匝数之间进行折衷。通过使环形导体304A、304B更宽以覆盖更多匝线圈301，可以减小接头电阻。然而，由于承载全部磁体电流的匝数减少，因此由磁体每单位电流产生的磁场减小。如果径向宽度被减小，则相反。

由于环形接头可以对着线圈圆周的量级的长度，因此低电阻接头通常可以由径向狭窄的环形导体304A、304B制成，这些导体不会显著减小由磁体产生的磁场。尽管图3A和图3B中的环形导体304A、304B被示出为稍微延伸到线圈301的外边缘/内边缘之外，但是环形导体的形状可以替代性地更紧密地与线圈301的径向轮廓相匹配，以最小化线圈301和环形接头300A、300B的径向覆盖区。

尽管在图3A和图3B中使用圆形“盘形”线圈来示出环形接头300A、300B的特征，但是容易理解的是，这些类型的接头可以应用于其他形状的线圈，例如，可应用于诸如托卡马克装置中使用的线圈的“D”形环向场线圈。在这种情况下，环形接头300A、300B不必是圆形的，并且可以被成形以便跟随线圈绕组的路径。类似地，“环形”导体304A、304B不必完全围绕线圈绕组的路径延伸，相反地，所述导体可以仅部分地围绕线圈绕组的路径延伸。例如，对于大半径磁体和/或包括厚HTS带的磁体，可以使用仅围绕绕组的路径的20％、50％或80％延伸的环形导体形成低电阻接头，也就是说，使得环形导体对着小于360度的角度。在环形导体中引入“断裂部”(通过使其不完全围绕绕组的路径延伸)可以优先避免在环形导体内形成寄生电流环路，这在诸如核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)或磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)的应用中可能是有用的。在其他应用中，诸如托卡马克装置(见下文)，例如，几何限制和/或其他部件的存在可能需要这样的断裂部。

环形接头可以被设置为更大结构的一部分，该结构可以被称为导体板或电热界面(ETI)板。一般而言，ETI板是复合金属/绝缘体/传感器板，复合金属/绝缘体/传感器板如下所讨论可以附接到HTS线圈的边缘面，以便执行多个作用：

·与HTS线圈和/或在HTS线圈之间进行电连接的装置。

·引入与HTS线圈并联的受控电阻以实现“部分绝缘”的装置。电阻器的几何形状可以被成形为调整线圈的动态电热行为。

·与HTS线圈形成热界面以便进行冷却的装置。

·在HTS线圈之间引入薄电绝缘部并机械保护绝缘部免受损坏的装置。

·在不干扰HTS绕组的情况下在HTS磁体中包含辅助物品(诸如传感器或加热器)的装置。

图4示出了包括应用于单个盘形线圈401的两个ETI板400A、400B的示例性磁体400的横横截面。在这个示例中，线圈401包括围绕磁体轴线303缠绕在一起的两个长度的HTS带100。带100作为“0型对”包在铜101中(例如，如WO2018/078326中所述)，使得每个绕组包括两条带。绝缘体402设置在HTS带100的绕组之间，以防止电流流过HTS带的表面，也就是说，使得注入HTS带100的一个端部的电流被迫围绕线圈401的绕组循环。ETI板400A、400B每一个都包括相应的环形导体404A、404B，从而形成到HTS带100的任一端部的环形接头。在这个示例中，使用底部ETI板400B通过HTS带100的径向最内侧端部向线圈401供应电流。电流在被顶部ETI板400A通过HTS带100的径向最外侧端部处的环形导体404A接收之前围绕线圈301的连续绕组流动。

尽管ETI板400A、400B仅通过环形导体404A、404B与线圈401电接触，但是板本身径向横跨线圈延伸以形成“基部导体”层405A、405B，通过该层向环形接头供应电流(或从环形接头接收电流)并提供将热量传导远离线圈301的路径。在这个示例中，基部导体405A、405B由铜形成，尽管也可以使用其他导电材料(例如，金属)。环形导体404A、404B可以与基部导体405A、405B一体形成，或者例如通过钎焊附固定到所述基部导体。

通过在ETI板400A、400B上形成环形导体404A、404B(或使环形导体404A、404B与ETI板400A、400B成一体)，所述环形导体404A、404B可以以在环形导体是独立项的情况下难以实现的方式被制成在径向尺寸上非常窄(如果需要的话，亚毫米)同时仍然易于操作。由基部导体405A、405B提供的大表面面积允许从线圈401有效地移除热量，并且允许在可以形成与磁体的电连接的地方的更大的灵活性。

ETI板400A、400B中的基部导体405A、405B可以被制成较薄，以便最小化所述基部导体上的温度升高，并确保线圈不会轴向间隔开太远，以便避免削弱磁场强度。替代性地，热量也可以被径向提取到线圈401外径或内径处的冷却母线，在这种情况下，基部导体405A、405B应该被制成足够厚以满足温度要求。ETI板400A、400B也可以被构造成允许线圈401的面中的一个或多个被更加有效地冷却(即，不依赖于到线圈的径向末端的热传导)。例如，ETI板400A、400B可以包括通道或管道，气体或液体冷却剂流动通过所述通道或管道，以便传递热量远离线圈401。优选地，通道或管道可以设置在基部导体405A、405B中的一个或多个上或基部导体405A、405B中的一个或多个内。

使用ETI板400A、400B进行冷却提供了对诸如使用导热膏的方法的替代性方法，其中使用导热膏的方法与焊料相比具有较差的导热性，并且难以很好地应用于薄层中并且使制造过程复杂化。

ETI板400A、400B还包括介电层406A、406B，所述介电层用于使HTS带100的边缘与板的基部导体405A、405B部分电绝缘。介电层406A、406B由介电材料(例如玻璃纤维/树脂复合物，诸如“预浸料”)形成。

ETI板400A、400B还包括界面导体层407A、407B，该界面导体层可以钎焊到线圈401上以便获得良好的热电接触。该层充当径向电阻器以控制线圈401的热电行为。这种“部分绝缘”(即引入受控的“匝间”电阻器)提供了在HTS线圈中的热稳定性与线圈斜变时间之间的理想平衡。界面导体层由导电材料形成，优选地由黄铜或不锈钢制成，因为这种材料可以被钎焊并且具有比铜大得多的电阻率，从而允许所述界面导体层更厚，并因此具有更容易控制的厚度。这种“部分绝缘”(PI)(即引入受控的“匝间”电阻器)提供了在HTS线圈中的热稳定性与线圈斜变时间之间的理想平衡。特别地，使用横跨线圈的绕组延伸的层可以消除对其他形式的部分绝缘部的需要，诸如金属(诸如不锈钢)的“缠绕”层。

在一些情况下，界面导体层407A、407B可以利用胶水结合到电介质层406A、406B。然而，胶水必须能够承受钎焊温度而不会在结构上变弱，因为否则在钎焊期间会存在所述层分层的趋势。克服这个问题的一种方法是使用玻璃纤维/树脂复合物(诸如“预浸料”)作为介电介质和结合介质两者。例如，可以使用由“SHD Composites”公司生产的复合物(诸如Prepreg MTC400)。通过执行相对长的固化过程，可以将复合物的玻璃化转变温度(T_g)提高到高于线圈的典型钎焊温度。例如，复合物可以通过以下方式进行“后固化”：以约0.3℃/min的速率加热至180℃，保持持续2小时，并且然后以约0.3℃/min的速率冷却。例如，这种过程可以实现200℃的T_g，这允许复合物能够承受在低温下进行的大多数钎焊过程。然而，不可能在线圈上原位利用ETI板进行这种固化处理，这是因为升高的温度和时间会损坏线圈(由于HTS带的作为温度和时间的函数发生的持续劣化)，并且可能损坏或劣化已经形成的任何钎焊连接。

尽管也可以使用非绝缘线圈，但是包含绝缘体402通过阻断绕组之间的穿过HTS带100的铜包层的替代性低电阻路径来增加“匝间”电阻的有效性。

ETI板400A、400B的厚度(即包括环形导体的整个厚度)通常在0.25mm至1.00mm的范围内，其中介电层的厚度(在存在的情况下)通常在10μm至100μm的范围内，并且界面导体的厚度(在存在的情况下)通常在10μm至100μm的范围内。

用于将界面层407A、407B结合到线圈401的绕组的焊料通常是PbSn。然而，这种材料具有导电性，使得甚至界面层407A、407B上的PbSn薄涂层都将提供非常低的电阻的电流路径，这将导致电流绕过界面层407A、407B。为了避免这个问题，焊料材料被选择为具有高电阻率的焊料材料，优选地是具有比PbSn高的电阻率的焊料材料，例如当线圈用于磁体中时例如在低于ReBCO带的临界温度的温度下，电阻率是PbSn的电阻率的10倍以上的焊料材料。例如，焊料材料可以由PbBi形成，因为这种材料具有是PbSn的电阻率的大约50倍的电阻率。类似地，也可以使用PbBiSn。PbBi(或PbBiSn)焊料的涂层的高电阻(与PbSn焊料涂层相比)意味着更多的电流在界面层407A、407B内流动。

部分绝缘的ETI板具有高度柔性的益处。可以通过改变界面导体的厚度和成分来控制匝间电阻。界面导体层的几何形状可以(诸如通过蚀刻碎片网状图案以断开长距离径向电流)或者通过提供阻抗的感应性螺旋件进行修改，通过使用光刻和通过提供阻抗的感应性螺旋件两者都可以允许在充电时间与热电稳定性之间获得平衡。

盘形线圈之间的薄电绝缘部理想地用于提供必要的介电性能且不会引入由流动通过所述薄电绝缘部的热量引起的过大的温度上升。然而，由于许多常见的介电材料(诸如聚酰亚胺片)是软的，因此所述介电材料在磁体操作和组装期间遇到的电磁应力下容易击穿。通过将绝缘部嵌入ETI板内部，利用金属片在两侧保护绝缘部，击穿的风险被最小化。

由于ETI板是与线圈分离的物体，因此ETI板可以更换以改变线圈的行为。例如，可以最初利用较厚的界面导体附接ETI板，以安全地操作线圈并确定所述线圈的临界电流。一旦已经确定了最大工作电流，就可以将ETI板改变为提供在磁体的已知性能范围内更快地使磁体斜变(ramp)的能力的ETI板。

图5示出了穿过磁体500的横截面，该磁体500包括两个轴向堆叠的磁体400，该两个轴向堆叠的磁体每一个都包括盘形线圈401A、401B。线圈401A、401B之间的热和电连接可以通过在堆叠之后将相邻ETI板402A、402B的基部铜层连接在一起而形成。这可以通过轴向(即，沿着磁体的轴线503)挤压并可选地在磁体400之间添加柔顺导电层504(诸如铟层)或者通过钎焊(尽管这需要加热整个磁体)来进行。也可以使用“纳米结合”(RTM)技术，在所述技术中，多层箔被插入在ETI板402A、402B之间，并且在箔内引发化学反应以生成热量，从而将箔钎焊到板中的每一个。

为了使相邻ETI板402A、402B之间的热和/或电连接有效，优选的是板的表面状况良好，例如没有氧化物。可以实现这一点的一种方式是为ETI板402A、402B的基部铜层(一个或多个)提供贵金属(诸如银)层(例如涂层)。银层是优选的，因为银具有对氧的低亲和性，并且还与铟化学相容，这允许使用柔顺的铟层504制造高质量的压制接头。

额外的板505A、505B(诸如铜板)可以轴向设置在磁体500的任一端上，以便提供额外的冷却或者提供与磁体500的电连接。

电源(未示出)被连接在板505A、505B的两端，以向磁体500供应电流。在这个示例中，磁体的面中的每一个的环形接头都位于线圈的径向最外侧边缘处，而连接两个线圈的环形接头位于线圈的径向最内侧边缘处。因此，电流径向向内流动通过线圈中的一个的绕组，然后在线圈之间轴向流动，并且然后径向向外流动通过另一线圈的绕组。在电流在相反的方向上流动通过每个线圈时，线圈401A、401B以相反的方向(即，顺时针/逆时针)缠绕，使得由磁体400中的每一个产生的磁场具有相同的极性，从而允许生成非常大的磁场。例如，可以以相同的方式制备线圈401A和401B(即，以相同的方向缠绕)，并且然后在堆叠以形成磁体500之前，线圈中的一个相对于另一个“翻转”。应当理解的是，可以以这种方式堆叠另外的盘形线圈，同时在在所述盘形线圈之间具有另外的ETI板。

如上所讨论那样，ETI板可以包括通道或管道，气体或液体流动通过所述通道或管道，以便背离线圈(一个或多个)传递热量。这种布置对于冷却轴向堆叠的磁体400尤其有效，诸如图5所示的那些磁体。特别地，在位于线圈之间的ETI板402A、402B中提供冷却通道或管道允许热量更有效地从线圈401A、401B的“主体”传递。

ETI板中的环形导体也可以用于形成嵌套式/同心盘形线圈之间的电接头，即在径向方向上而非上述轴向方向承载电流的接头。例如，盘形线圈可以通过绕其缠绕第二长度的HTS带而被扩大，在这种情况下，可以使用环形导体(优选地在ETI板中)在两个HTS带的端部之间形成电接头，也就是说，环形导体用于提供绕组中的间断部或断裂部两端的接头。这可能是有用的示例是用于在深线圈(外半径除以内半径较大(例如大于～3)的那些线圈)中的应力减小。在这种情形下，将线圈细分为多个嵌套式线圈并断开由每个线圈生成的力，从而防止绕组中的应力的累积是有益的。在这种情况下，嵌套式线圈之间的径向接头可以利用ETI板中的合适环形导体新城。

图6示出了穿过HTS磁体600的径向横截面，该HTS磁体具有在内部线圈601与外部线圈602之间提供径向接头的两个环形导体604A、604B。诸如圆柱体的机械支撑件607设置在内部线圈601与外部线圈602之间，以断开所述内部601与所述外部线圈602之间的径向力。

图7示出了穿过HTS磁体600的径向横截面，该HTS磁体能够以紧凑、坚固和直接的方式产生非常高的磁场。

HTS磁体700包括上述HTS磁体400的径向嵌套式叠层701、702、703。例如，径向最外侧叠层包括轴向布置的HTS磁体400A-400F，且相邻的磁体通过其各自的ETI板电连接。由ETI板形成的环形接头被布置成使得电流在轴向流(在相邻线圈之间)与径向流(围绕每个线圈的绕组)之间交变，如图6中叠加在HTS磁体400A至400F上的箭头所示。对于参考图4描述的HTS磁体400，相邻磁体的线圈以相反的方向缠绕，使得沿着磁体的轴线704的磁场被最大化。另外两个嵌套式磁体叠层702、703具有类似的构型，以便增强由外部叠层701生成的磁场。径向接头/连接部705、706被形成在相邻叠层的端接ETI板之间，以允许电流从一个叠层流动以流入下一个叠层。在图6中示出的示例中，电流通过外部叠层701的最上面的HTS磁体400A的顶部ETI板被供应给磁体700。在如上所述流动通过叠层701之后，电流然后径向流动通过接头705进入外部嵌套式叠层702。类似地，在流动通过该叠层702之后，电流然后通过接头706径向流入到内部嵌套式叠层703。最后，在流动通过内部嵌套式叠层703之后，电流通过内部嵌套式叠层703的最下侧的HTS磁体的底部ETI板离开磁体700。

尽管在图7中示出的示例性磁体700中，存在三个叠层701、702、703，每个叠层都具有6个HTS线圈，但是当然可以使用任何数量的叠层和/或线圈。叠层还可以具有不同数量的线圈，以在磁体的设计中提供更大的灵活性。

由许多较小的HTS磁体构成HTS磁体700(“线圈细分”)提供了许多优点。特别地，如下所述，线圈细分允许克服HTS带的应力限制的问题，并通过根据细分线圈在磁体700中的位置对该细分线圈进行“分级”来允许更优的磁体设计。

考虑HTS带的应力限制，HTS带100的最大可容许横向抗拉强度通常约为10MPa至50MPa，这提供了对可以使用的绕组的径向深度的实际限制。然而，通过线圈细分将线圈细分成多个径向嵌套式线圈(如图7所示)并在线圈之间插入机械支撑件707、708，可以避免这个问题。类似地，轴向力可以通过沿着磁体的轴线进行细分并插入轴向支撑结构(未示出)而被断开。

考虑细分线圈的“分级”，在高磁场磁体中，磁场矢量可能根据磁体的径向和/或轴向位置而显著变化。对于HTS磁体，这意味着表征磁体作为超导体的操作的参数(诸如临界电流)也是位置相关的。因此，通过根据HTS带100在磁体中所在位置对所述HTS带100进行分级，可以获得磁体700的更优设计。例如，为了获得可能的最高的磁场，并且为了失超管理，期望的是最大化磁体中各处的电流与临界电流之比(I/I_c)(γ)。分级可以通过改变每匝/绕组的HTS带的数量、带宽度或厚度或带类型(即制造商或使用的HTS材料)来进行。

通常的情况是，出于监控目的，传感器(诸如温度或应变探头)必须嵌入在HTS磁体中。出于失超保护的目的，可能还需要其他项，诸如加热器。期望的是HTS线圈和辅助项是单独的对象，使得两者可以单独地制造，并在故障的情况下被独立更换。适当适配的ETI板可以被制成为容纳许多传感器或不需要直接嵌入在HTS线圈的绕组中的其他项。

图8示出了穿过HTS磁体800的横截面，除了相邻的ETI板801A、801B中的每一个都包括内部环形导体804A、804B和外部环形导体805A、805B之外，该HTS磁体类似于图5中示出的HTS磁体500。

如图9所示，当电源907被连接在线圈对的两端时，每个板上包括两个环形导体为电流提供两个可选路径908、909以流动通过磁体800。一个路径908与参考图4描述的路径相同，即电流经由内部环形导体805A、805B依次围绕每个线圈400的绕组流动。另一路径909通过在线圈400的外部绕组之间提供电连接而使路径908“短路”或绕过路径908。在这种情况下，电流通过线圈400的外部绕组(一个或多个)流入所述线圈400中的一个内，并通过外部环形导体804B从线圈流出，而不是在线圈的其他绕组周围经过。类似地，电流通过外部环形导体804A在另一线圈的外部绕组的轴向边缘之间经过进入所述另一线圈的外部绕组，并从线圈流出，而不在另一线圈的其他绕组周围经过。

沿着每个路径908、909流动的电流的比例由路径的相对电阻控制，这可以通过改变外部环形导体804A、804B和内部环形导体805A、805B的电阻和/或与通过环形导体与线圈400的绕组形成的电接触相关联的电阻来控制。更长的迂回路径908相比于更短的更直接的路径909更优，使得通过使直接路径909的电阻远大于迂回路径908的电阻，大部分电流径向流入和流出线圈400。这通过例如使外部环形导体804A、804B的面积小于内部环形导体805A、805B的面积来实现。尽管少量的漏电流经过路径909，并且不对通过电流循环通过线圈400的绕组而产生的磁场有贡献，但是线圈400可以在内部绕组处被充电到满临界电流，并且额外的漏电流可以由外部绕组承载，这是因为所述外部绕组在该低磁场区域中具有较高的临界电流。一旦磁体800被充电，电源907就可以被断开，使得电流在闭合环路中围绕线圈400流动。

图10示出了在电源907已经被断开后，在磁体800内流动的“捕获”电流的路径1010。在这种情况下，电流围绕闭合环路流动，所述闭合环路穿过线圈400的绕组并且依次穿过环形导体805B、805A、804A、804B中的每一个。由于线圈400是超导的，所以电流能够在衰减之前围绕路径1010流动持续长时间段，也就是说，循环电流及该循环电流生成的磁场是“半持续性的”。

与循环电流的衰减相关联的时间常数由线圈的磁自感(L)与所述线圈的电阻(R)之比(L/R)定义。例如，考虑具有以下所述的线圈和电接头的磁体，所述线圈的内径为50mm，而外径为98mm，自感约为～2mH，并且所述电接头在液氮中典型电阻为～1至5nΩ(即内部电接头和外部电接头的估计的合并电阻为～10nΩ)。这种磁体的L/R时间常数约为200000秒，即2.3天。

较大的时间常数也与较大的“充电”时间(即，当连接电源时，在路径908、909之间建立电流的稳态分布的时间)相关联。为了最小化充电时间，有益的是在充电的同时增加路径908的电阻(即，在图9中示出的配置中)。这可以利用被结合到由外部环形导体804A、804B提供的外部电接头中的可变电阻器或开关来实现。例如，包括HTS材料的HTS开关可以设置在外部环形导体804A、804B之间。在充电期间，开关“关闭”(处于非超导状态)以提供较大的电阻，并且因此快速充电。这通过例如将HTS材料加热到其临界温度以上来实现的。开关随后被“接通”(例如，不再加热，或者更确切地说被冷却)以闭合电流路径1010，并且电源被断开。

诸如以上描述的HTS磁体的HTS磁体的一个重要应用是在被称为托卡马克装置的一种聚变反应堆中。托卡马克装置的特点在于结合了强环向磁场、高等离子体电流以及通常较大的等离子体体积和显著的辅助加热以提供热的稳定等离子体。这允许托卡马克装置生成条件，以使得聚变能够发生。辅助加热(例如，经由数十兆瓦的高能氢、氘或氚的中性束注入)对于将温度增加到核聚变发生所需的足够高的值和/或维持等离子体电流是必要的。

托卡马克装置上的磁体线圈可以被分成两组。极向场线圈是水平圆形线圈，所述水平圆形线圈被缠绕，且所述线圈的中心位于托卡马克装置的中心柱上，并产生极向场(即，基本平行于中心柱的极向场)。环形场线圈穿过中心柱竖直缠绕，并围绕等离子体室的外部(“返回分支”)缠绕以产生环向场(即，围绕中心柱为圆形的环向场)。极向场和环向场的结合在等离子体室内产生螺旋场，这保持等离子体被限制。

生成环向场所需的电流非常大。因此，用于托卡马克装置的设计越来越多地涉及在场线圈中使用超导材料。对于紧凑型球形托卡马克装置，中心柱的直径应尽可能小。这就提出了矛盾的要求，因为即使利用超导材料，能够实现的电流密度也是有限的。

本文描述的HTS磁体特别适用于在托卡马克装置(特别是球形托卡马克装置)中使用，例如以产生极向场或环向场中的任一个(或两者)。

虽然上面已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解的是，所述实施例以示例的方式被呈现，而非进行限制。对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。例如，尽管上面的线圈已经被描述为具有以“0型”配置布置的HTS带100，但是也可以使用其他配置，例如“1型”和“2型”(例如如WO2018/078326所述)。类似地，尽管在以上描述的示例中，线圈通常串联连接在电源两端上，但是也可以并联连接在电源两端。因此，本发明不应受上述示例性实施例中的任何一个限制，而应仅根据以下权利要求及其等同物来限定。

Claims (21)

1.一种高温超导体HTS磁体，包括：

线圈，所述线圈由嵌套式同心绕组形成，所述绕组绕着所述线圈的轴线缠绕，每个绕组都包括HTS材料；和

第一导体元件和第二导体元件，所述第一导体元件和所述第二导体元件每一个都包括相应的电接触表面，通过所述电接触表面向所述绕组中的至少一个相应绕组的一部分供应电流或从所述绕组中的至少一个相应绕组的一部分接收电流，每一个电接触表面至少部分地围绕所述绕组中的所述至少一个相应绕组在所述导体元件与所述线圈的轴向边缘之间提供电接触，所述第一导体元件的所述电接触表面被定位成比所述第二导体元件的所述电接触表面更靠近所述轴线，藉此通过所述第一导体元件提供给所述线圈的电流在被所述第二导体元件接收到之前围绕所述线圈的连续绕组循环。

2.根据权利要求1所述的HTS磁体，其中，每个绕组都包括HTS带和电连接到所述HTS带的包层，所述电接触被提供给所述包层。

3.根据权利要求1所述的HTS磁体，其中，所述电接触表面围绕所述绕组中的所述至少一个相应绕组的路径的多于20％、多于50％或多于80％提供与所述线圈的轴向边缘中的一个或多个的电接触。

4.根据权利要求1所述的HTS磁体，其中，所述电接触表面中的一个或多个是环形的。

5.根据权利要求1所述的HTS磁体，还包括横跨其他绕组中的一个或多个绕组延伸的至少一个板，所述第一导体元件或所述第二导体元件与所述板一体形成或设置在所述板上。

6.根据权利要求5所述的HTS磁体，其中，所述第一导体元件或所述第二导体元件从所述板的表面突出，并且所述板还包括介电层或电阻层，所述介电层或所述电阻层用于使所述板的所述表面与所述其他绕组中的所述一个或多个绕组的一部分电绝缘。

7.根据权利要求6所述的HTS磁体，其中所述板包括界面导体层，所述界面导体层横跨一个或多个其他绕组延伸，以从所述绕组的边缘传递热量和/或电流。

8.根据权利要求7所述的HTS磁体，其中，所述界面导体层包括可钎焊金属。

9.根据权利要求7所述的HTS磁体，其中，通过改变所述界面导体层的厚度，所述界面导体层被图案化。

10.根据权利要求7所述的HTS磁体，其中，所述线圈包括所述绕组之间的电绝缘部。

11.根据权利要求5所述的HTS磁体，还包括设置在所述板与所述线圈之间的一个或多个传感器和/或一个或多个加热器。

12.根据权利要求1所述的HTS磁体，其中，所述第一导体元件或所述第二导体元件的所述电接触表面提供与所述线圈的最内侧绕组或所述线圈的最外侧绕组的电接触。

13.根据权利要求1所述的HTS磁体，其中，所述第一导体元件或所述第二导体元件的所述电接触表面提供所述绕组中的间断部两端的电接触。

14.根据权利要求1所述的HTS磁体，其中，所述电接触表面提供与所述线圈的相对置的面的电接触。

15.根据权利要求1所述的HTS磁体，还包括一个或多个额外的线圈，所述额外的线圈或每个额外的线圈具有导体元件，所述导体元件用于提供与所述线圈的相对置的面的电接触，所述线圈被轴向堆叠并通过所述线圈各自的导体元件彼此电连接。

16.根据权利要求15所述的HTS磁体，其中，相邻的轴向堆叠的线圈在相反的方向上被缠绕。

17.根据权利要求1所述的HTS磁体，包括两个或更多个同心嵌套式线圈，所述两个或更多个同心嵌套式线圈每一个都具有相应的导体元件，每个线圈都通过所述线圈的相应导体元件之间的电连接而电连接到相邻的线圈。

18.根据权利要求17所述的HTS磁体，其中，所述电连接是柔性的。

19.根据权利要求17所述的HTS磁体，还包括一个或多个中间支撑件，所述一个或多个中间支撑件位于相邻线圈之间以用于断开径向力。

20.根据权利要求1所述的HTS磁体，其中，相邻线圈的相应的HTS带在厚度、成分、宽度和数量中的一个或多个方面不同。

21.一种包括根据权利要求1所述的HTS磁体的托卡马克装置，其中，所述HTS磁体被配置成提供环向磁场或极向磁场。

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