CN114121398A - 超导磁体线圈的加强 - Google Patents

Abstract

本公开涉及超导磁体线圈的加强。一种具有加强的线圈区域(3)的超导磁体组件，包括形成圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的分层导体线圈组件(10)，每个圆柱形导体层具有以圆柱对称轴(z)为中心并沿着其对齐的多个圆形导体匝(12)，包括超导元件(13)，沿着导体层的导体匝形成连续路径并携带电流Icond，导体带或导体线在圆形导体匝的周向方向上具有弹性模量Econd，加强的线圈区域还包括分层束腰线圈组件(20)，该分层束腰线圈组件(20)包括束腰带或束腰线，形成圆柱形束腰层(21，21')，具有以z轴为中心并沿着其对齐的多个圆形束腰匝(22)。发明性组件和方法提供磁体线圈组件抵抗径向磁力的机械加强。

Description

超导磁体线圈的加强

技术领域

本发明涉及一种超导磁体组件，包括具有圆柱对称轴并具有加强的线圈区域的圆柱形磁体线圈组件，

加强的线圈区域包括分层导体线圈组件，该分层导体线圈组件包括导体带或导体线，形成至少四个圆柱形导体层，每个圆柱形导体层具有以圆柱对称轴为中心并沿着圆柱对称轴对齐的多个圆形导体匝，

导体带或导体线包括至少一个超导元件，沿着至少一个圆柱形导体层的圆形导体匝形成连续路径并携带电流Icond，

导体带或导体线在圆形导体匝的周向方向上具有弹性模量Econd，

加强的线圈区域还包括分层束腰线圈组件，该分层束腰线圈组件包括束腰带或束腰线，形成至少一个圆柱形束腰层，具有以圆柱对称轴为中心并沿着圆柱对称轴对齐的多个圆形束腰匝，

束腰带或束腰线在圆形束腰线匝的周向方向上具有弹性模量Ecors，其中：

Ecors>1.5*Econd，

分层束腰线圈组件具有大于分层导体线圈组件的外半径的内半径，

加强的线圈区域还包括束腰片组件，该束腰片组件包括形成至少一个束腰片的束腰箔元件，具有垂直于圆柱对称轴的任意平面的至少一个束腰片的横截面包括以圆柱对称轴为中心的分段圆，

至少一个束腰片的分段圆的半径大于至少一个圆柱形导体层的半径并且小于至少另一个圆柱形导体层的半径。

从US 5285181 A1(＝参考文献[1])中已知这种超导磁体组件。

背景技术

本发明的应用领域是超导磁体组件的圆柱形磁体线圈组件抵抗作用在超导体上的磁力的机械加强。在圆柱形磁体线圈组件中，磁力轴向压缩线圈并使线圈径向变形，径向变形导致导体中的周向应变和应力(环向应力)。

圆柱形磁体线圈组件的圆形导体匝中的环向应力与圆形导体匝的半径、与圆形导体匝中磁场的轴向分量的强度以及与圆形导体匝中的电流密度(电流除以导体的横截面积)成比例。圆形导体匝的周向应变与环向应力和导体弹性模量的倒数成比例，并且不得超过最大值，超过该最大值会使导体的超导元件的临界电流密度退化。

周向应变的这种限制对圆柱形磁体线圈组件的圆形导体匝中的最大允许电流密度施加了限制。限制圆柱形磁体线圈组件中的电流密度意味着需要更多的圆形导体匝数来生成相同的磁场，这使得圆柱形磁体线圈组件更大且更昂贵。因此，抵抗磁力的机械加强的目标是减小导体体积和成本。

圆柱形磁体线圈组件的机械加强通常通过导体本身的内部或外部加强来实现，从而增加导体的整体弹性模量，或者通过将结构机械加强元件结合到圆柱形磁体线圈组件中来实现，从而减少导体中的环向应力。

导体的内部加强是通过将加强材料的绞线结合到导体的前体材料中并且然后将导体加工成其最终形式来实现的。这种方法不适用于与某些类型的超导体结合，并且会显著增加材料和加工成本。因此，本发明的应用领域限于超导磁体组件的圆柱形磁体线圈组件的机械加强，而不是通过导体的内部加强。

圆柱形磁体线圈组件的一种机械加强涉及在导体制造之后将结构加强材料应用到导体上。从参考文献[2]、[3]和[4]中已知这种外部加强导体。在[2]中，超导细丝在整个导体长度上嵌入高强度材料的绞线中。在[3]中，在圆柱体表面的内侧和外侧，将纤维加强元件应用于具有中空圆柱体形式的超导绞线。在[4]中，具有超导细丝的复合线包覆有高强度材料。通过应用外部加强元件使导体加固增加了其承受圆柱形磁体线圈组件中磁力的能力，但它也会阻碍将导体加工成期望的形式，例如，如果要求小的弯曲半径的话。而且，外部加强不适用于一些类型的超导体，并且会显著增加材料和加工成本。外部导体加强也会使磁体线圈绕组的几何精度恶化，从而导致磁场不均匀。

因此，对于具有圆柱形磁体线圈组件的超导磁体组件的许多应用，更合适的是不将机械加强元件结合到导体上，而是结合到圆柱形磁体线圈组件的结构中。从参考文献[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]和[13]中已知用于圆柱形磁体线圈组件的结构加强元件。

第一类结构磁体线圈加强元件是应用在分层导体线圈组件外侧的外部束腰。在[5]中，实心管安装在多层超导线圈的外侧。在[6]中，束腰线缠绕在多层超导线圈的外侧。分层导体线圈组件外侧的这种加强元件在整个分层导体线圈组件中具有有限的效率。分层导体线圈组件不是刚性结构并且可以在径向方向上显著压缩，这主要是由于各个圆柱形导体层之间的空隙或由于线圈结构内侧的可压缩部件，主要是软电绝缘材料。

这个问题的解决方案是用刚性填充材料浸渍分层导体线圈组件和/或在分层导体线圈组件内侧引入加强结构，优选地在每个单独的圆柱形导体层上或甚至与每个圆形导体匝共同缠绕。在[7]中，圆柱形磁体线圈组件由几个嵌套的子线圈构成，每个子线圈都有其自己的加强结构，该加强结构包含空心圆柱体，阻碍子线圈的各个圆形导体匝。在[8]中，空心圆柱体形式的超导体层用加强绞线材料(例如，钢丝)包裹，并借助于焊料或树脂接合到束腰。在[9]中，提出了用于分层导体线圈组件的圆柱形导体层或各个圆形导体匝的多个机械稳定结构，以及附加的几种粘性填充材料。在[10]中，线圈加强是通过在每个圆柱形导体层上施加纤维层来实现的，分层导体线圈组件用填充材料浸渍，然后使用湿缠绕用钢带捆扎。在[11]中，纤维加强塑料矩形线与超导线共同缠绕。在[12]中，提出了几种刚性填充材料来加强分层导体线圈组件，填充材料经过优化以避免在机械负载下开裂。在[13]中，提出了热塑性填充材料。

即使，就遍及整个分层导体线圈组件的有效加强而言，使用刚性填充材料逐层或逐匝应用加强和/或线圈加固优于仅在外部应用到本质上是软的分层导体线圈组件的加强，但是这些解决方案本身有几个缺点。除了线圈制造过程中的额外工作外，提出的分层导体线圈组件内侧的加强元件会使磁体线圈绕组的几何精度恶化，导致磁场不均匀。而且，在每个圆柱形导体层之后缠绕圆柱形束腰层要求切割和拼接导体，这增加了贯穿整个分层导体线圈组件的超导路径的不完善的风险。如[12]中提出的那样，可以通过优化填充材料来减轻由于刚性填充材料在作用于圆柱形磁体线圈组件的磁力下破裂而导致超导磁体失超(quenching)的风险，但无法完全避免。

在最初引用的参考文献[1]中，箔元件被用作分层导体线圈组件中的机械加强，与分层束腰线圈组件结合使用。箔元件是安装在圆柱形导体层上的条带，每个都与圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴对齐。具有与圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴垂直的任意平面的安装在圆柱形导体层上的条带的横截面是具有若干片段的断续圆形线，每个片段属于单个箔条带。箔条带仅作用以抵抗轴向力(沿着圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴)，而导致超导体中环向应力的径向力(垂直于圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴)仅受到分层导体线圈组件的导体线和分层束腰线圈组件的束腰线的控制。分层束腰线圈组件径向缠绕在分层导体线圈组件的外侧，即，分层束腰线圈组件不局部作用于分层导体线圈组件的圆柱形导体层的每个圆形导体匝上。为了将作用在每个圆形导体匝上的径向力有效传输到束腰线圈组件，分层导体线圈组件必须与分层束腰线圈组件一起用树脂浸渍。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的是提供抵抗作用在超导磁体组件的圆柱形磁体线圈组件上的径向磁力的机械加强。在本发明提供了集成到分层导体线圈组件中的结构加强、优选地在每个单独的圆柱形导体层上从而避免了由于其固有的柔软性而遍及分层导体线圈组件的大面积损失加强效果的同时，发明性的结构加强解决方案避免了两者，用于径向强化分层导体线圈组件以改善例如到外部分层束腰线圈组件上的力传递的刚性填充材料的必要性，以及加强绞线的逐层束腰或共同缠绕的必要性。

发明的简述

根据本发明，这个目的是通过将分层导体线圈组件外部的分层束腰线圈组件与集成到所述分层导体线圈组件中的束腰片组件相结合来实现的，束腰片组件包括束腰箔元件，形成至少一个束腰片，其特征在于具有垂直于圆柱对称轴的至少一个平面的至少一个束腰片的横截面包括覆盖整个圆的至少90％并且具有不超过四个片段的分段圆，并且其特征在于束腰箔元件具有平面内弹性模量Efoil，其中Efoil>1.5*Econd，并且其特征在于分层导体线圈组件具有至少一个圆柱形导体层，圆柱形导体层具有至少一个圆形导体匝，其中：

Icond>0.005*Econd*Acond/(Bz*r),

其中：

Icond是圆形导体匝中的电流，

Acond是圆形导体匝的导体带或导体线的横截面积，

Bz是圆形导体匝中沿着圆柱对称轴(z)的磁场分量，

r是圆形导体匝的半径。

弹性模量Econd、Ecors、Efoil将环向应力与相应元件中的圆形导体匝或圆形束腰匝或束腰片中的周向应变相关联。在发明性超导磁体组件中，弹性模量是环向应力与周向应变之比。因此，环向应力和弹性模量两者都取决于在超导磁体组件的操作条件下相应元件中的周向应变。弹性模量的这种定义通常被称为割线弹性模量。

发明性超导磁体组件允许通过以下方式减小分层导体线圈组件的超导体体积和成本

·增加超导体中的电流Icond至超过在没有附加的结构加强元件的对应分层导体线圈组件的环境中操作的同一超导体的应变极限，

·从而应变位于超导体径向外侧的结构加强元件，

·从而在圆柱形导体层和结构加强元件之间保持高径向压力，

·从而在圆柱形导体层和覆盖的加强元件(包括束腰片)之间产生摩擦，

·从而使束腰片能够承受周向应力，尽管事实是它们没有在圆柱形导体层周围形成周向闭合结构。

与集成到分层导体线圈组件中的其它结构加强元件不同，优选地是在每个单独的圆柱形导体层上，束腰片不会显著增加线圈制造工作，并且它们可以在不切割和拼接导体的情况下被应用。束腰片和圆柱形导体层之间通过摩擦的接合消除了分层导体线圈组件中对刚性或粘性填充材料的需要。束腰片不会损害分层导体线圈组件的圆柱形几何形状，因此维持磁场的均匀性。

除了作为分层导体线圈组件中的结构加强元件之外，箔元件通常以其它目的用于超导磁体组件中，主要作为电绝缘或创建平坦表面作为已缠绕的圆柱形导体层的过度缠绕(over-winding)的基础。此类箔不能充当作为束腰片组件的部分的结构加强元件，因为它们的弹性模量太低和/或因为它们会在周向应力下屈服，是不能通过摩擦与相邻的圆柱形导体层充分接合的周向开放的结构。

本发明适用于超导磁体组件，该超导磁体组件包括至少部分地在以下条件下操作的具有分层导体线圈组件的圆柱形磁体线圈组件

·在导体线圈组件的圆形导体匝中，沿着圆柱对称轴的磁场分量特别大，和/或

·导体线圈组件的圆形导体匝的半径特别大，和/或

·在导体线圈组件的圆形导体匝中，在场强和温度的相应操作点下，超导体的临界电流密度特别高，和/或

·导体线圈组件的圆形导体匝的导体的弹性模量特别低，

同时必须满足关于以下的特别严格的要求

·低材料成本和制造工作，和/或

·关于空间均匀性和时间稳定性的高磁场质量，和/或

·低失超风险。

本发明的优选实施例

在根据本发明的超导磁体组件的优选实施例中，具有垂直于圆柱对称轴的至少一个平面的至少一个束腰片的横截面是具有不超过两个片段的分段圆，优选地只有一个片段。分段降低了束腰片的周向加强效率，因此应当尽可能避免。

在发明性超导磁体组件的有利实施例中，至少两个束腰片的横截面具有垂直于圆柱对称轴的至少一个平面，每个横截面包括分段圆，其中一个分段圆的至少一个片段与另一个分段圆的至少一个间隙周向重叠。由于周向分段，束腰片在片段边界之间具有周向间隙。这些间隙是没有通过束腰片对底层圆柱形导体层进行周向加强的区。可以通过覆盖第一束腰片的间隙的另一个束腰片的片段来恢复周向加强。

在发明性超导磁体组件的另一个优选实施例中，束腰片的厚度<0.5mm，优选地<0.2mm。束腰片可以与底层的各个圆形导体匝直接机械接触的结合到加强的线圈区域中。由于径向磁力从圆形导体匝到束腰片的高效转移，束腰材料的量可以最小化，从而形成更紧凑的圆柱形磁体线圈组件。

在特别优选的实施例中，加强的线圈区域的体积的至少0.5％的部分是空的或至少没有填充固体材料，从而使得能够在分层导体线圈组件中使用圆的导体线，具有固有的低几何填充因子。导体线圈组件内的空隙中断了从圆形导体匝到加强结构元件的径向磁力的转移路径，除非加强结构元件与圆形导体匝直接机械接触，这是通过结合在加强的线圈区域中的束腰片实现的。而且，采用束腰片的抵抗径向磁力的逐层机械加强在没有刚性填充材料的情况下是高效的，刚性填充材料将减少加强的线圈区域内的空隙率但会由于在磁力下开裂而导致超导体的失超。

在有利的实施例中，加强的线圈区域包括含有无环饱和烃化合物或树脂化合物的固体填充材料。固体填充材料改善了从圆形导体匝到加强结构元件的径向磁力的传输，尤其是在加强的线圈区域具有高空隙率的情况下。而且，填充材料可以充当圆形导体匝和束腰片之间的胶水，从而改善向束腰片的周向力转移。树脂完成这项任务，但有在磁力下开裂的趋势，这可以通过使用无环饱和烃化合物(例如，石蜡)来避免，另一方面，使用无环饱和烃化合物由于热收缩而降低了填充效率。

有利的实施例规定，圆柱形磁体线圈组件包括至少两个加强的线圈区域，第一加强的线圈区域的分层束腰线圈组件具有等于或小于另一个加强的线圈区域的分层导体线圈组件的内半径的外半径，所述第一加强的线圈区域具有沿着圆柱对称轴的延伸，至少部分地与所述另一个加强的线圈区域的沿着圆柱对称轴的延伸重叠。将圆柱形磁体线圈组件细分为几个径向嵌套的加强的线圈区域允许将分层束腰线圈组件集成到多层圆柱形磁体线圈组件的径向组成(build-up)中。虽然存在束腰片作为直接在各个圆柱形导体层上的局部加强，但是要求在分层导体线圈组件的径向外侧存在高效的分层束腰线圈组件来加强圆柱形磁体线圈组件，因为束腰片必须压靠在底层圆柱形导体层上以便维持摩擦。压缩径向力从分层束腰线圈组件通过分层导体线圈组件转移到束腰片上。通过分层导体线圈组件的力传输路径可能被例如空隙中断。因此，每个分层导体线圈组件的圆柱形导体层的数量是有限的，这要求将多层圆柱形磁体线圈组件细分为几个加强的线圈区域，每个区域具有自己的分层束腰线圈组件。

优选的进一步发展规定，加强的线圈区域的每个分层导体线圈组件具有少于14个圆柱形导体层。这个实施例限制了每个分层导体线圈组件的圆柱形导体层的数量，以确保在整个加强的线圈区域中足够不间断的径向力传输路径。这有助于将来自分层束腰线圈组件的压缩径向力通过分层导体线圈组件传输到束腰片上，这是维持束腰片和底层圆柱形导体层之间摩擦的必要条件，从而使束腰片能够加强圆柱形导体层抵抗周向应变。

在优选实施例中，分层导体线圈组件的导体带或导体线的超导元件包括铌和锡，或铋和锶以及钙和铜氧化物，或稀土元素以及钡和铜氧化物。这些材料是具有特别高临界电流密度的超导体，如果电流没有驱动包含这种超导体的导体带或导体线超出导体的力极限，那么可以只在分层导体线圈组件中采用这些材料。在这些实施例中，与没有机械加强的圆柱形磁体线圈组件相比，加强的线圈区域中的电流密度可以显著加强，由此导体线或带的量被相应地减少。

在两个其它优选实施例中，束腰片组件的束腰箔元件或分层束腰线圈组件的束腰带或束腰线包括钢合金或镍合金或玻璃纤维化合物。这些材料提供所需的机械特性并且可以成形为正确的形式以在圆柱形磁体线圈组件的加强的线圈区域的分层束腰线圈组件中或束腰片组件中使用。镍合金(通常包含铬和其它添加剂)具有抗腐蚀性并且特别适于在以高水平的温度或压力加工的圆柱形磁体线圈组件中应用。玻璃纤维化合物可以用作分层导体线圈组件的圆柱形导体层的电绝缘。

包括如上所述的超导磁体组件的NMR装置也在本发明的范围内。将束腰片组件结合到圆柱形磁体线圈组件的加强的线圈区域中来为分层导体线圈组件的每个个体圆柱形导体层提供机械支撑，而无需导体带或线的附加切割和拼接(如例如分层束腰线圈组件的逐层结合的情况那样)，并且不损害分层导体线圈组件的圆柱形几何形状(如例如束腰线或带与导体线或带的共同缠绕的情况那样)，并且不增加圆柱形磁体线圈组件的失超风险(如例如使用用于将磁力从圆柱形导体层传输到分层导体线圈组件外部的加强结构的刚性填充材料的情况那样)。由于来自导体接合处的电阻而得到的低磁场漂移风险、由于导体层的准确圆柱度而得到的良好磁场均匀性以及磁体失超的低风险使发明性超导磁体组件特别适合于应用在用于NMR光谱的装置中。

在本发明范围内的是用于圆柱形磁体线圈组件的机械加强的方法，其特征在于加强的线圈区域的束腰片和圆形导体匝之间的热接合通过对加强的线圈区域在温度>500℃下进行至少24小时的热处理而引起。与纯粹通过摩擦接合相比，附加的热接合增强了束腰片在周向方向上对下方圆形导体匝施加力的能力，这是束腰片用作抵抗由于径向磁力引起的圆形导体匝的机械应变的高效机械加强的先决条件。

附图说明

本发明示于附图中。

图1在包含圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴的半平面中的横截面视图中示出了根据本发明的超导磁体组件的圆柱形磁体线圈组件的加强的线圈区域，其中圆柱形导体层和束腰片以空间表示被示出并被示出为放大的横截面切口；

图2示出了束腰片组件的空间表示，并且其横截面具有垂直于圆柱对称轴的平面；

图3在包含圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴的半平面中的横截面视图中示出了根据本发明的超导磁体组件的圆柱形磁体线圈组件的两个相邻的加强的线圈区域；

图4示出了根据现有技术的采用半空间表示的具有圆柱形磁体线圈组件的超导磁体组件，以及加强的线圈区域的圆柱形导体层的放大的横截面切口；

具体实施方式

发明性超导磁体组件：

图1在包含圆柱对称轴z的半平面中的横截面视图中示出了加强的线圈区域3，以及圆柱形导体层11和束腰片31的空间表示，以及其放大的横截面切口。加强的线圈区域3包括具有四个圆柱形导体层11、11'、11”、11”'的分层导体线圈组件10，以及具有两个圆柱形束腰层21、21'的分层束腰线圈组件20，以及具有三个束腰片31、31'、31”的束腰片组件30。

每个圆柱形导体层11、11'、11”、11”'包括多个圆形导体匝12，以圆柱对称轴z为中心并沿着其对齐，每个导体匝12缠绕有圆的导体线并且距圆柱对称轴z的半径为r。导体线可以代替地具有矩形横截面形状，或者可以使用导体带来代替导线(图1中未示出)。导体线具有横截面积Acond并且包括超导元件13，从而沿着至少一个圆柱形导体层11、11'、11”、11”'的圆形导体匝12形成连续路径并且携带电流Icond。超导元件13可以包括嵌入在金属基体中的几个超导材料的股线(对于Nb基低温超导体或Bi基高温超导体是典型的)，或沉积在金属基体上的单层(对于稀土基高温超导体是典型的；图1中未示出)。

每个圆柱形束腰层21、21'包括多个圆形束腰匝22，以圆柱对称轴z为中心并沿着其对齐，每个束腰匝22缠绕有圆的束腰线。束腰线可以代替地具有矩形横截面形状，或者可以使用束腰带代替线(图1中未示出)。

每个束腰片31、31'、31”包括比0.5mm更薄，优选地比0.2mm更薄的束腰箔元件。每个束腰片31、31'、31”组装在两个径向相邻的圆柱形导体层11、11'、11”、11”'之间，从而采取分段圆柱形表面的形状，在周向上被至少一个间隙中断，如针对正好有一个片段和一个间隙的束腰片31所示。

通常，在操作期间，加强的线圈区域3暴露于具有强轴向分量Bz的磁场。如果圆形导体匝12的超导元件13携带的电流Icond自身产生具有平行于背景场的轴向分量的磁场，那么作用在圆形导体匝12上的磁力具有径向向外指向(即，远离圆柱对称轴z)的强分量。这个径向磁力在分层导体线圈组件10内侧产生径向磁压力，从而推动加强的线圈区域3的分层束腰线圈组件20和束腰片组件30，从而周向应变加强的线圈区域3。在来自弱束腰片组件30的束腰效应可忽略的加强的线圈区域3中，径向磁压力在整个加强的线圈区域3中累积并且在分层导体线圈组件10和分层束腰线圈组件20之间的界面处最高。如果束腰片组件30比束腰片31、31'、31”更结实，那么可以高效地拦截圆柱形导体层11、11'、11”、11”'之间的径向磁压力的传输，从而使得在整个加强的线圈区域3中径向磁压力的分布更均匀。

只要在加强的线圈区域3中不存在径向间隙并且忽略加强的线圈区域3的径向可压缩性，就可以假设由于径向磁压力引起的径向膨胀以及还由此产生的周向应变在加强的线圈区域3的所有机械部件中都是相同的。如果弹性模量Ecors、Efoil在束腰线和束腰箔元件中都大，那么通过包含在分层束腰线圈组件20和束腰片组件30中的一定量的束腰材料可以最高效地减少加强的线圈区域3的应变。在各向异性材料的情况下，只需考虑与周向方向上的应变和应力相关的弹性模量。通常，Ecors和Efoil应当比导体带或导体线的弹性模量Econd大至少50％。材料的弹性模量可以取决于材料的应变。因此，Ecors或Efoil与Econd之间的关系仅在加强的线圈区域3的所有束腰和导体材料中应变相似的假设下才有效。

在图1的加强的线圈区域3的示例性实施例中，圆形导体匝12具有50mm的半径并且其在具有15T的轴向分量Bz的背景磁场中携带470A的电流Icond。圆的导体线直径为1mm，横截面积Acond为0.785mm³，弹性模量Econd为50GPa。如果没有外部加强，那么这根导线将应变达0.9％，这将损坏其超导元件13。在加强的线圈区域3的示例性实施例中，通过分层束腰线圈组件20和束腰片组件30，周向应变以3至0.3％的因子减少，分层束腰线圈组件20和束腰片组件30各自分别具有200GPa的弹性模量Ecors和Efoil。为了实现周向应变的期望减少，组合的分层束腰线圈组件20和束腰片组件30在包含圆柱对称轴z的平面中的横截面积必须是分层导体线圈组件10的横截面积的一半。一般而言，束腰与导电横截面积之比是应变减少因子减去1，乘以Econd和Ecors的商。

如果隔离的束腰片31暴露于抵靠其内圆柱形表面的径向压力，那么它不会在周向上应变，但是在其周向上中断束腰片31的间隙会变宽。通过将束腰片31的间隙旁边的边缘区域通过摩擦接合到相邻的圆柱形导体层11、11'，可以避免在加强的线圈区域3内侧使间隙变宽。束腰片31的一个接合的边缘区域的周向延伸是束腰箔元件的径向厚度和弹性模量Efoil和周向应变的乘积，除以来自底层圆柱形导体层11的径向磁压力，并且除以束腰箔元件和导体带或导体线之间的摩擦系数，并且除以二。因子二是由于束腰片31的内表面和外表面上的摩擦接合。

个体圆形导体匝12对假设的完全刚性束腰元件的径向磁压力将是磁场的轴向分量Bz、电流密度Icond/Acond和导体线在圆形导体匝12的径向方向上的宽度的乘积。与相同操作条件下未束腰的圆形导体匝12相比，对于实际束腰元件上的径向磁压力，这个乘积必须乘以通过束腰实现的实际应变减少因子。对于图1的加强的线圈区域3的示例性实施例，Bz为15T，Icond为470A，Acond为0.785mm³，径向导体宽度为1mm，并且应变减少因子为(0.9％-0.3％)/0.9％＝2/3，束腰片31上的径向磁压力为6MPa。加强的线圈区域3中束腰片31上的有效径向压力可以偏离这个值，因为计算忽略了由于缠绕过程或由于加强的线圈区域3在超导元件13的临界温度以下的冷却而引起的导体或束腰元件的机械变形。而且，它忽略了，一般而言，径向磁压力可以在几个圆柱形导体层11、11'、11”、11”'上的整个加强的线圈区域3上累积。

借助于束腰片31上6MPa的径向磁压力的这种近似，对于示例性实施例，现在可以计算出束腰片31的一个接合的边缘区域的周向延伸具有25mm的值，进一步假设束腰箔元件的弹性模量Efoil为200GPa、束腰箔元件的径向厚度0.1mm的以及束腰箔元件和导体线之间的摩擦系数为0.2。束腰片31中的每个间隙产生两个接合的边缘区域，即，在示例性实施例中，具有一个间隙的束腰片的接合的边缘区域的总周向延伸为50mm。假设底层圆柱形导体层11的半径为50mm，这占由束腰片31覆盖的面积的16％。

在接合的边缘区域中，束腰片31不能用作用于底层圆柱形导体层11的圆柱形导体匝12的周向加强，它甚至趋向于进一步应变它们。因此，沿着束腰片31的间隙的接合的边缘区域的周向延伸以及间隙本身必须最小化，其应当占少于束腰片31覆盖的面积的10％。可以通过增加束腰片31和相邻的圆柱形导体层11、11'之间的摩擦系数来实现接合的边缘区域的周向延伸的减少。束腰片材料和导体带或导体线材料的选择由除大摩擦系数以外的其它准则确定，主要分别由良好的机械或超导特性确定。不过，摩擦系数可以例如通过在加强的线圈区域3中引入固体填充材料来增加，通常包含无环饱和烃化合物(例如，石蜡)或树脂化合物。一种大大增强摩擦的方法是通过加强的线圈区域3的热处理步骤诱导热接合，热处理步骤通常在>500℃的温度下持续至少24小时。

图1的加强的线圈区域3的示例性实施例表明，必须避免束腰片31的周向分段，因为每个附加间隙引入了两个附加的接合的边缘区域，其中束腰片31不能有效地作为底层圆柱形导体层11的机械加强。

由于在束腰片31的接合的边缘区域的束腰效率的损失，建议安装两个束腰片31、31'，其中第一束腰片31的至少一个片段覆盖另一个束腰片31'的间隙。这样的两个束腰片31、31'可以彼此径向相邻地安装，或者在其间具有圆柱形导体层11。图2示出了这种束腰片组件30。而且，图2示出了采用分段圆柱形表面的形状的束腰片31、31'的几何意义，其被至少一个间隙周向中断：即，束腰片31、31'具有这样的横截面：垂直于圆柱对称轴z的至少一个平面包括分段圆32、32'，覆盖多于整个圆的90％并且恰好具有如图1和图2的优选实施例中的一个片段，或至少不超过四个片段(图2中未示出)。

图3在包含圆柱对称轴z的半平面中的横截面视图中示出了两个加强的线圈区域3、3'。每个加强的线圈区域3、3'具有其自己的分层导体线圈组件10、10'、其自己的分层束腰线圈组件20、20'和其自己的束腰片组件30、30'。分层束腰线圈组件20、20'包括具有扁平矩形横截面形状的束腰带。分层导体线圈组件10、10'包括具有圆的横截面形状的导体线。圆形导体匝12之间的空隙占分层导体线圈组件10、10'的体积的达至多21％。高空隙率使加强的线圈区域3、3'固有地柔软，从而导致最里面的圆柱形导体层11、11'中的径向压力减少，从而增加相邻的束腰片31、31'的接合的边缘区域的周向延伸。因此，建议将大的加强的线圈区域3、3'细分为具有优选地少于14个的圆柱形导体层11、11'、11”、11”'的较小区域。通过固体填充材料减少空隙率也有助于避免加强的线圈区域3、3'内的径向压力的损失。

除了形成束腰片31、31'、31”的箔元件之外，本身从现有技术中已知的附加箔元件也可以包括在加强的线圈区域3、3'中，例如，在分层导体线圈组件10、10'和相邻的分层束腰线圈组件20、20'之间，或在分层束腰线圈组件20、20'的圆柱形束腰层21、21'之间，或在分层导体线圈组件10、10'的第一圆柱形导体层11、11'之下。此类箔元件可以促进圆柱形导体层11、11'、11”、11”'或圆柱形束腰层21、21'的过度缠绕，或者它们可以用作电绝缘。

图4以半空间表示示出了具有圆柱形磁体线圈组件2的超导磁体组件1，该圆柱形磁体线圈组件2具有圆柱对称轴z。超导磁体组件1还包括电流Icond，其在具有横截面积Acond的导体线的超导元件13中流动。如从现有技术已知的，圆柱形磁体线圈组件2包括加强的线圈区域3。加强元件可以是在加强的线圈区域3(图4中未示出)的外半径上的分层束腰线圈组件20，和/或刚性填充材料(图4中未示出)，和/或与导体线共同缠绕的加强绞线(图4中未示出)，和/或包括用于加强的线圈区域3的轴向加强的束腰箔元件的轴向条带(图4中未示出)。

摘要

一种具有加强的线圈区域(3)的超导磁体组件，包括形成圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的分层导体线圈组件(10)，每个圆柱形导体层具有以圆柱对称轴(z)为中心并沿着其对齐的多个圆形导体匝(12)，包括超导元件(13)，沿着导体层的导体匝形成连续路径并携带电流Icond，导体带或导体线在圆形导体匝的周向方向上具有弹性模量Econd，加强的线圈区域还包括分层束腰线圈组件(20)，该分层束腰线圈组件(20)包括束腰带或束腰线，形成圆柱形束腰层(21，21')，具有以z轴为中心并沿着其对齐的多个圆形束腰匝(22)，束腰带或束腰线在束腰匝的周向方向上具有弹性模量Ecors，其中Ecors>1.5*Econd，束腰线圈组件具有大于外半径的内半径，加强的线圈区域包括束腰片组件(30)，该束腰片组件(30)包括形成束腰片(31，31'，31”)的束腰箔元件，具有垂直于z轴的任意平面的束腰片的横截面包括以z轴为中心的分段圆，其半径大于一个导体层的半径并且小于至少另一个导体层的半径，其特征在于束腰片的横截面包括分段圆，其覆盖整个圆的至少90％且具有不超过四个片段；束腰箔元件具有平面内弹性模量Efoil，其中Ecors>1.5*Econd；并且导体线圈组件具有导体层，导体层具有圆形导体匝，其中Icond>0.005*Econd*Acond/(Bz*r)。

发明性组件和方法提供磁体线圈组件抵抗径向磁力的机械加强。

附图标记列表：

1 超导磁体组件

2 圆柱形磁体线圈组件

3，3' 加强的线圈区域

10，10' 分层导体线圈组件

11，11'，11”，11”' 圆柱形导体层

12 圆形导体匝

13 超导元件

20，20' 分层束腰线圈组件

21，21' 圆柱形束腰层

22 圆形束腰匝

30，30' 束腰片组件

31，31'，31” 束腰片

32，32' 分段圆

z 圆柱对称轴

A 垂直于圆柱对称轴(z)的平面

Econd 导体带或导体线的割线弹性模量

Ecors 束腰带或束腰线的割线弹性模量

Efoil 束腰箔元件的割线弹性模量

Icond 由超导元件13携带的电流

Acond 导体带或导体线的横截面积

Bz 磁场的轴向分量

r 圆形导体匝12的半径

评估可专利性所考虑的出版物：

[1] US 5285181 A1

[2] EP 0291075 A2

[3] EP 0822560 A2

[4] US2003/0121696A1

[5] US5917393A

[6] US7015779 B2

[7] US4270112A1

[8] US5379020A1

[9] US2002/173429A1

[10] IEEE Transactions on Magnetics，L.Van Bockstal等人，Long LifePulsed High Field Magnets with CuAg Conductor and Internal Reinforcement，第32卷，第4期，1996年7月，第2514-2517页

[11] JP58194309A

[12] US5606300A

[13] US2006/0284711A

Claims (13)

1.一种超导磁体组件(1)，包括具有圆柱对称轴(z)并具有加强的线圈区域(3，3')的圆柱形磁体线圈组件(2)，

加强的线圈区域(3，3')包括分层导体线圈组件(10，10')，该分层导体线圈组件(10，10')包括导体带或导体线，形成至少四个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')，每个圆柱形导体层具有以圆柱对称轴(z)为中心并沿着圆柱对称轴(z)对齐的多个圆形导体匝(12)，

导体带或导体线包括至少一个超导元件(13)，沿着至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的圆形导体匝(12)形成连续路径并携带电流Icond，

导体带或导体线在圆形导体匝(12)的周向方向上具有弹性模量Econd，

加强的线圈区域(3，3')还包括分层束腰线圈组件(20，20')，该分层束腰线圈组件(20，20')包括束腰带或束腰线，形成至少一个圆柱形束腰层(21，21')，具有以圆柱对称轴(z)为中心并沿着圆柱对称轴(z)对齐的多个圆形束腰匝(22)，

束腰带或束腰线在圆形束腰匝(22)的周向方向上具有弹性模量Ecors，其中：

Ecors>1.5*Econd，

分层束腰线圈组件(20，20')具有大于分层导体线圈组件(10，10')的外半径的内半径，

加强的线圈区域(3，3')还包括束腰片组件(30，30')，该束腰片组件(30，30')包括形成至少一个束腰片(31，31'，31”)的束腰箔元件，具有垂直于圆柱对称轴(z)的任意平面(A)的至少一个束腰片(31，31'，31”)的横截面包括以圆柱对称轴(z)为中心的分段圆(32，32')，

至少一个束腰片(31，31'，31”)的分段圆(32，32')的半径大于至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的半径并且小于至少另一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的半径，

其特征在于

具有至少一个垂直于圆柱对称轴(z)的平面(A)的至少一个束腰片(31，31'，31”)的横截面包括分段圆(32，32')，分段圆(32，32')覆盖整个圆的至少90％且具有不超过四个片段；

束腰箔元件具有平面内弹性模量Efoil，其中

Ecors>1.5*Econd；

并且分层导体线圈组件(10，10')具有至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')，所述至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')具有至少一个圆形导体匝(12)，其中：

Icond>0.005*Econd*Acond/(Bz*r)，

其中

Icond是圆形导体匝(12)中的电流，

Acond是圆形导体匝(12)的导体带或导体线的横截面积，

Bz是圆形导体匝(12)中沿着圆柱对称轴(z)的磁场分量，

r是圆形导体匝(12)的半径。

2.根据权利要求1所述的超导磁体组件(1)，其特征在于分段圆(32，32')具有不超过两个片段，优选地只有一个片段。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于至少两个束腰片(31，31'，31”)具有有着至少一个垂直于圆柱对称轴(z)的平面(A)的横截面，每个横截面包括分段圆(32，32')，其中一个分段圆(32)的至少一个片段与另一个分段圆(32')的至少一个间隙周向地重叠。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于束腰片(31，31'，31”)的厚度<0.5mm，优选地<0.2mm。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于加强的线圈区域(3，3')的体积的至少0.5％的部分是空的，至少没有填充固体材料。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于加强的线圈区域(3，3')包括含有无环饱和烃化合物或树脂化合物的固体填充材料。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于圆柱形磁体线圈组件(2)包括至少两个加强的线圈区域(3，3')，第一加强的线圈区域(3)的分层束腰线圈组件(20)具有等于或小于另一个加强的线圈区域(3')的分层导体线圈组件(10')的内半径的外半径，所述第一加强的线圈区域(3)具有沿着圆柱对称轴(z)的延伸，与所述另一个加强的线圈区域(3')的沿着圆柱对称轴(z)的延伸至少部分地重叠。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于每个加强的线圈区域(3，3')的每个分层导体线圈组件(10，10')具有少于14个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于分层导体线圈组件(10，10')的导体带或导体线的超导元件(13)包含铌和锡，或铋和锶以及钙和铜氧化物，或稀土元素以及钡和铜氧化物。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于束腰片组件(30，30')的束腰箔元件包括钢合金或镍合金或玻璃纤维化合物。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)，其特征在于分层束腰线圈组件(20，20')的束腰带或束腰线包括钢合金或镍合金或纤维玻璃化合物。

12.一种NMR设备，包括根据前述权利要求中的任一项所述的超导磁体组件(1)。

13.一种用于根据权利要求1至11中的任一项所述的超导磁体组件(1)的圆柱形磁体线圈组件(2)的机械加强的方法，其特征在于加强的线圈区域(3，3')的圆形导体匝(12)和束腰片(31，31'，31”)之间的热接合通过加强的线圈区域(3，3')在温度>500℃下进行至少24小时的热处理而引起。

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