CN113130164B - 一种多层套管式的超导磁体及其制作方法 - Google Patents

一种多层套管式的超导磁体及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于超导磁体应用技术领域的一种多层套管式的超导磁体及其制作方法。多层套管式超导磁体由多个高度相同，半径从小到大的圆柱形超导片一个套一个组合构成，每两个圆柱形超导片之间都有一层绝缘片。可在半径最小的超导片中心处放置铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源组成磁通泵，利用磁通泵原理为其供电。由于超导片的镀膜工艺要求膜层与切面之间的角度偏差不超过5°，因此圆柱形超导片的弧长与半径存在一定的制作要求。本发明可在实际应用中降低运行损耗，逐步产生稳定大空间的磁场，提高励磁效率，实现超导磁体的闭环运行。

Description

一种多层套管式的超导磁体及其制作方法
技术领域
本发明属于超导磁体应用技术领域，特别涉及一种多层套管式的超导磁体及其制作方法。
背景技术
高场电磁环境对科学技术的发展具有极其重要的作用，它孕育着许多重大的科学发现和新技术的产生。超高磁场的产生和应用研究对极端条件科学设施、生物医学工程、国防特种装备、高精度的科学仪器以及农业应用都具有重要的意义。虽然高场电磁环境已在工业和国防领域有了一些应用，但是目前其主要还是在物理、化学、材料、生命科学等领域发挥作用。特别是目前一些在建的大科学工程装置，都是为了获得高场电磁环境而开展的。
一般励磁电源是处于常温环境中的，如果采用电流引线连接电源和超导体，对电源的要求比较高，且电流引线两端分别处于低温和室温环境，会有大量的热量传入超导低温容器，同时电流引线电阻以及电流引线和超导线之间的焊接电阻，在通电时会产生焦耳热，损耗功率，提高冷却成本。为了避开使用电流引线，目前可以采用场冷磁化，脉冲场磁化和磁通泵励磁技术给超导磁体励磁。
综上，提出一种基于磁通泵励磁的多层套管式高温超导磁体，本发明与其他类型的高温超导磁体相比，可在实际应用中降低运行损耗，逐步产生稳定大空间的磁场，提高励磁效率，实现超导磁体的闭环运行。作为产生强磁场的装置，多层套管式超导磁体不仅能够输出强的磁感应强度，而且输出的强磁场稳定，同时还具有结构紧凑、便于实现磁通泵励磁、常规绝缘容易处理等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层套管式的超导磁体及其制作方法，其特征在于，所述多层套管式超导磁体由多个高度相同的半径从小到大的圆柱形超导片一个套一个组合构成，每两个圆柱形超导片之间都有一层绝缘片绝缘；形成一个圆柱形的多层套管式超导磁体；在半径最小的超导片中心处放置的是用铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源，利用磁通泵原理为其供电。
所述超导片由衬底1-4、缓冲层1-3、REBCO薄膜1-2和保护层1-1依次排列的组成；其中衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金板材料或不锈钢材料；缓冲层的根据工艺的不同材料主要为RE2O3、CeO2、YSZ、MgO等；保护层的材料以Cu为主。
所述绝缘片采用PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片。
所述的多层套管式超导磁体，其每一层超导片的镀膜工艺要求为膜层与切面之间的角度偏差不超过5°，因此圆柱形超导片的弧长与半径存在一定的制作要求，由弧长公式
Figure BDA0003033696980000021
计算得到弧长和半径对应数值；其中R是圆柱形超导片的半径，ω是对应角度θ的弧长。
所述的多层套管式超导磁体的制作方法，其特征在于，具体包括：
(1)将半径最小的第一圆柱形超导片3-1放在最内层，再将第一圆柱形绝缘片3-2套在第一圆柱形超导片3-1外面，第二圆柱形超导片3-3套在第一圆柱形绝缘片3-2外面；将第二圆柱形绝缘片3-4套在第二圆柱形超导片3-3外面，再将第三圆柱形超导片3-5套在第二圆柱形绝缘片3-4外面，依此类推，同样地按照一层超导片与一层绝缘片堆叠数片，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片外面接着堆叠末层圆柱形超导片3-6。由于磁体的最内层和最外层都是超导片，因此超导片的数量总比绝缘片多一层；
(2)用铜线双层绕制的螺管线圈3-8放置在半径最小的第一圆柱形超导片3-1中心圆中，其两端与脉冲电源3-7连接；组成磁通泵；脉冲电源提供交变电流在螺管线圈中产生励磁磁场；利用磁通泵内部励磁为多层套管式超导磁体供电。
本发明的有益效果：本发明提供的多层套管式超导磁体不仅能产生强的磁感应强度，输出稳定，而且能在更高的电流密度下运行，并产生更高的磁场梯度；还能通过磁通泵利用电磁感应原理更高效率的完成励磁，实现超导磁体的闭环运行。
附图说明
图1为REBCO超导薄片的结构示意图；
图2为REBCO圆柱形超导环片制作要求的参数示意图；
图3为多层套管式超导磁体以及磁通泵的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种多层套管式的高温超导磁体及其制作方法，多层套管式超导磁体由多个高度相同，半径从小到大的圆柱形超导片一个套一个组合构成，每两个圆柱形超导片之间都有一层绝缘片用来绝缘。半径最小的超导片中心处放置铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源利用磁通泵原理为其供电。下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。
图1所示为REBCO超导片的结构示意图；超导片由自下至上依次排列的衬底1-4、缓冲层1-3、REBCO薄膜1-2和保护层1-1组成。所述超导片的材料是REBCO，所述绝缘片采用PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片。其中衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金板材料或不锈钢材料；缓冲层的根据工艺的不同材料主要为RE2O3、CeO2、YSZ、MgO等；保护层的材料以Cu为主。
图3所示为多层套管式超导磁体以及磁通泵的结构示意图，所述多层套管式超导磁体的制作过程包括：
(1)将半径最小的第一圆柱形超导片3-1放在最内层，再将第一圆柱形绝缘片3-2套在第一圆柱形超导片3-1外面，第二圆柱形超导片3-3套在第一圆柱形绝缘片3-2外面；将第二圆柱形绝缘片3-4套在第二圆柱形超导片3-3外面，再将第三圆柱形超导片3-5套在第二圆柱形绝缘片3-4外面，依此类推，同样地按照一层超导片与一层绝缘片堆叠数片，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片外面接着堆叠末层圆柱形超导片3-6。由于磁体的最内层和最外层都是超导片，因此超导片的数量总比绝缘片多一层；
(2)用铜线双层绕制的螺管线圈3-8放置在半径最小的内层超导片中心孔中，两端与脉冲电源3-7连接；组成磁通泵；脉冲电源提供交变电流在螺管线圈产生励磁磁场；利用磁通泵内部励磁为多层套管式超导磁体供电。
(3)由于超导片的镀膜工艺要求膜层与切面之间的角度偏差不超过5°因此圆柱形超导片在制作时，对圆柱形超导片的弧长与半径存在一定的制作要求，如图2所示的REBCO圆柱形超导环片制作要求的参数示意图，由弧长公式
Figure BDA0003033696980000041
计算得到弧长和半径对应数值；如表1所示。其中R是圆柱形超导片的半径，ω是对应角度θ的弧长；
表1弧长与半径的数值关系
弧长ω(mm) 半径R(mm)
1 11.46
2 22.92
3 34.38
4 45.84
5 57.30

Claims (1)

1.一种多层套管式的超导磁体，所述多层套管式超导磁体由多个高度相同的半径从小到大的圆柱形超导片一个套一个组合构成，每两个圆柱形超导片之间都有一层绝缘片绝缘；形成一个圆柱形的多层套管式超导磁体；其特征在于，在半径最小的超导片中心处放置的是用铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源，利用磁通泵原理为其供电；所述用铜线双层绕制的线圈为用铜线双层绕制的螺管线圈放置在半径最小的第一圆柱形超导片3-1中心圆中，其两端与脉冲电源3-7连接组成磁通泵；脉冲电源提供交变电流在螺管线圈中产生励磁磁场；利用磁通泵内部励磁为多层套管式超导磁体供电；
所述的多层套管式超导磁体，其每一层超导片的镀膜工艺要求为膜层与切面之间的角度偏差不超过5°，因此圆柱形超导片的弧长与半径存在一定的制作要求，由弧长公式
Figure FDA0003976800500000011
计算得到弧长和半径对应数值；其中R是圆柱形超导片的半径，ω是对应角度θ的弧长。
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