CN114360894B - 一种闭环超导磁体的绕制方法及闭环超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种闭环超导磁体的绕制方法及闭环超导磁体。所述方法包括：将主带盘中的超导带材缠绕在过渡带盘上；将过渡带盘上的超导带材缠绕在第1个双饼线圈骨架的一侧形成第1个双饼线圈中的第1个单饼；将主带盘上的超导带缠绕在第n个双饼线圈骨架的另一侧形成第n个双饼线圈中的第2个单饼；将第n个双饼线圈中的第2个单饼上的超导带材缠绕在第n+1个双饼线圈骨架的一侧形成第n+1个双饼线圈中的第1个单饼，至此完成第n个双饼线圈的绕制；将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成闭环超导磁体。本发明可以解决超导接头制备困难，机械性能差的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体绕制技术领域，特别是涉及一种闭环超导磁体的绕制方法及闭环超导磁体。
背景技术
核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)技术是利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像，是一种安全高效的生物医学检测技术。MRI作为重要的医学诊断手段和揭开人类生命之谜的重要工具在提高磁场对人类疾病的早期诊断方面起着越来越重要的作用。MRI的清晰度依赖于磁体产生的磁场强度、磁场均匀度、磁场稳定性，磁场强度越高、磁场均匀度越好、磁场稳定性越好，MRI的清晰度就越高。目前，世界上绝大多数的MRI装置使用的都是NbTi超导合金。NbTi超导合金属于低温超导材料(LTS)，其超导临界温度Tc为9.7K，4.2K下的上临界磁场约为11T。它只能在液氦环境下使用，使用成本非常昂贵，并且它的上临界场也限制了研制的磁体的磁场强度。
基于稀土钡铜氧(REBCO，RE为稀土元素)材料的第二代高温超导带材因为具有高临界温度、强载流能力、低运行成本等优点，因此在MRI用超导磁体方面有着巨大的应用潜力。超导带材一般采用双饼绕制方法形成模块化的双饼线圈，然后再以接头来连接双饼线圈组装形成超导磁体。当超导线圈以零电阻的超导接头连接形成超导磁体并以持续电流模式闭环运行时将使产生的磁场具有极高的稳定性。低温超导合金NbTi可以直接熔融焊接为超导接头，并且具有高的机械强度。而第二代高温超导带材的超导层是陶瓷材料，厚度在微米量级，并且只有在双轴织构情况下才具有高的载流能力，因此制备超导接头十分困难，工艺不稳定；其次，超导接头的超导层连接界面极其脆弱，导致其难以运行于强磁场环境中，所以现在需要一种可以克服现有技术中第二代高温超导带材的超导接头制备困难，机械性能差的超导接头的绕制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种闭环超导磁体的绕制方法及闭环超导磁体，可以解决超导接头制备困难，机械性能差的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种闭环超导磁体的绕制方法，包括：
以主带盘中超导带材的端点为起点，将所述主带盘中的超导带材按照绕带长度为第一设定长度且缠绕方向为第一缠绕方向在过渡带盘上缠绕；所述第一设定长度为预设的缠绕一个单饼线圈的超导带材的长度；
将所述过渡带盘上的超导带材按照第二缠绕方向全部绕在第1个双饼线圈骨架的一侧形成第1个双饼线圈中的第1个单饼；当所述第一缠绕方向为顺时针时所述第二缠绕方向为逆时针，当所述第一缠绕方向为逆时针时所述第二缠绕方向为顺时针；
将所述主带盘上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度的2倍且缠绕方向为所述第一缠绕方向在第n个双饼线圈骨架的另一侧缠绕形成第n个双饼线圈中的第2个单饼；n大于或等于1；
将所述第n个双饼线圈中的第2个单饼上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度且缠绕方向为所述第二缠绕方向在第n+1个双饼线圈骨架的一侧缠绕形成第n+1个双饼线圈中的第1个单饼，至此完成第n个双饼线圈的绕制；
将所有双饼线圈按照序号同轴依次排列并将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与所述第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成超导接头，最终得到闭环超导磁体。
可选的，当n为设定双饼线圈数量时，将所述主带盘上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度且缠绕方向为所述第一缠绕方向在所述第n个双饼线圈骨架的另一侧缠绕形成第n个双饼线圈中的第2个单饼，至此完成设定双饼线圈数量双饼线圈的绕制。
可选的，所述将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与所述第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成超导接头，具体包括：
将最后一个双饼线圈中的第2个单饼的超导带材抽头以螺旋层绕方式绕至所述第1个双饼线圈；
将所述最后一个双饼线圈中的第2个单饼的超导带材抽头的端部与所述第1个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成闭环超导磁体。
一种闭环超导磁体，根据上述所述的闭环超导磁体的绕制方法得到。
可选的，所述闭环超导磁体还包括：绝缘垫片、螺栓、圆管、第一盖板和第二盖板；所述第一盖板套设在所述圆管的一端，所述第二盖板套设在所述圆管的另一端，各所述双饼线圈均套设在所述圆管上且所有所述双饼线圈均位于所述第一盖板和所述第二盖板之间，所述绝缘垫片设置在各相邻单饼线圈之间，所述螺栓将所述第一盖板和所述第二盖板固定连接。
可选的，所述闭环超导磁体，还包括：第一电极和第二电极，所述第一电极设置在第1双饼线圈的超导带材抽头上，所述第二电极设置在最后一个双饼线圈的超导带材抽头上。
可选的，所述闭环超导磁体，还包括：固定夹板，所述超导接头设置在所述固定夹板中，所述固定夹板用于固定所述超导接头。
可选的，所述闭环超导磁体，还包括，超导开关，所述超导开关设置在所述超导接头与所述第一电极之间或设置在所述超导接头与所述第二电极之间。
可选的，所述超导开关为加热薄膜。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明以主带盘中超导带材的端点为起点，将所述主带盘中的超导带材按照绕带长度为第一设定长度且缠绕方向为第一缠绕方向在过渡带盘上缠绕；所述第一设定长度为预设的缠绕一个单饼线圈的超导带材的长度；将所述过渡带盘上的超导带材按照第二缠绕方向全部绕在第1个双饼线圈骨架的一侧形成第1个双饼线圈中的第1个单饼；当所述第一缠绕方向为顺时针时所述第二缠绕方向为逆时针，当所述第一缠绕方向为逆时针时所述第二缠绕方向为顺时针；将所述主带盘上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度的2倍且缠绕方向为所述第一缠绕方向在第n个双饼线圈骨架的另一侧缠绕形成第n个双饼线圈中的第2个单饼；n大于或等于1；将所述第n个双饼线圈中的第2个单饼上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度且缠绕方向为所述第二缠绕方向在第n+1个双饼线圈骨架的一侧缠绕形成第n+1个双饼线圈中的第1个单饼，至此完成第n个双饼线圈的绕制；将所有双饼线圈按照序号同轴依次排列并将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与所述第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成超导接头，最终得到闭环超导磁体，可以解决超导接头制备困难的缺点，并且整个磁体部分无接头，可以避免强磁、强电条件下因接头处电学和机械性能低而引起的磁体性能退化或损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的闭环超导磁体绕制方法中缠绕过程的示意图；
图2为本发明实施例提供的闭环超导磁体绕制方法中形成超导接头过程的示意图；
图3为本发明实施例提供的闭环超导磁体的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供了一种闭环超导磁体的绕制方法，包括：
以主带盘中超导带材的端点为起点，将所述主带盘中的超导带材按照绕带长度为第一设定长度且缠绕方向为第一缠绕方向在过渡带盘上缠绕；所述第一设定长度为预设的缠绕一个单饼线圈的超导带材的长度。
将所述过渡带盘上的超导带材按照第二缠绕方向全部绕在第1个双饼线圈骨架的一侧形成第1个双饼线圈中的第1个单饼；当所述第一缠绕方向为顺时针时所述第二缠绕方向为逆时针，当所述第一缠绕方向为逆时针时所述第二缠绕方向为顺时针。
将所述主带盘上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度的2倍且缠绕方向为所述第一缠绕方向在第n个双饼线圈骨架的另一侧缠绕形成第n个双饼线圈中的第2个单饼；n大于或等于1。
将所述第n个双饼线圈中的第2个单饼上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度且缠绕方向为所述第二缠绕方向在第n+1个双饼线圈骨架的一侧缠绕形成第n+1个双饼线圈中的第1个单饼，至此完成第n个双饼线圈的绕制。
将所有双饼线圈按照序号同轴依次排列并将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与所述第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成超导接头，最终得到闭环超导磁体。
在实际应用中，当n为设定双饼线圈数量时，将所述主带盘上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度且缠绕方向为所述第一缠绕方向在所述第n个双饼线圈骨架的另一侧缠绕形成第n个双饼线圈中的第2个单饼，至此完成设定双饼线圈数量双饼线圈的绕制。
在实际应用中，所述将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与所述第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成超导接头，具体包括：
将最后一个双饼线圈中的第2个单饼的超导带材抽头以螺旋层绕方式绕至所述第1个双饼线圈。
将所述最后一个双饼线圈中的第2个单饼的超导带材抽头的端部与所述第1个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成闭环超导磁体。
本发明实施例还提供了一种通过上述方法得到的闭环超导磁体。
作为一种可选的实施方式，所述闭环超导磁体还包括：绝缘垫片、螺栓、圆管、第一盖板和第二盖板；所述第一盖板套设在所述圆管的一端，所述第二盖板套设在所述圆管的另一端，各所述双饼线圈均套设在所述圆管上且所有所述双饼线圈均位于所述第一盖板和所述第二盖板之间，所述绝缘垫片设置在各相邻单饼线圈之间，一个双饼线圈由两个单饼线圈组成，所述螺栓将所述第一盖板和所述第二盖板固定连接。
作为一种可选的实施方式，所述闭环超导磁体还包括：第一电极和第二电极，所述第一电极设置在第1双饼线圈的超导带材抽头上，所述第二电极设置在最后一个双饼线圈的超导带材抽头上。
作为一种可选的实施方式，所述闭环超导磁体还包括：固定夹板，所述超导接头设置在所述固定夹板中，所述固定夹板用于固定所述超导接头。
作为一种可选的实施方式，所述闭环超导磁体还包括超导开关，所述超导开关设置在所述超导接头与所述第一电极之间或设置在所述超导接头与所述第二电极之间。
作为一种可选的实施方式，所述超导开关为加热薄膜。
如图1到图2所示，本发明实施例针对上述实施例提供了一种更加具体的绕制方法：
(a)按照旋转箭头的方向将主带盘Z中的超导带材绕在一个过渡带盘G上，绕带长度为根据磁体设计结构确定的若干个双饼中一个单饼线圈所需要带材长度L，如图1(a)所示。
(b)将过渡带盘G上的超导带材按照旋转箭头的方向全部绕在1号双饼线圈骨架的一侧形成单饼1a，其间主带盘Z与1号双饼线圈骨架同轴转动，如图1(b)所示。
(c)将主带盘Z上的超导带材按照旋转箭头的方向绕在1号双饼线圈骨架的另一侧形成单饼1b，绕带长度为2L，如图1(c)所示。
(d)将单饼1b上长度为L的超导带材按照旋转箭头的方向绕在2号双饼线圈骨架的一侧形成单饼2a，完成1号双饼线圈1绕制(1a和1b)，其间主带盘Z与2号双饼线圈骨架同轴转动，如图1(d)所示。
(e)将主带盘Z上的超导带材按照旋转箭头的方向绕在2号双饼线圈骨架的另一侧形成单饼2b，绕带长度为2L，其间1号双饼线圈1与2号双饼线圈骨架同轴转动，如图1(e)所示。
(f)将单饼2b上长度为L的超导带材按照旋转箭头的方向绕在3号双饼线圈骨架的一侧形成单饼3a，完成2号双饼线圈2绕制(2a和2b)，其间主带盘Z与3号双饼线圈骨架同轴转动，如图1(f)所示。
(g)以此类推，完成3号线圈3的绕制、四号线圈4的绕制和5号线圈5的绕制，最终完成具有5个双饼线圈的超导磁体的绕制，这里绕制5b的时候，直接将主带盘Z上的超导带材绕制L长度在5号双饼线圈骨架的另一侧即可，其中磁体两端的双饼都预留了一定长度的超导带材抽头，如图2(a)所示。
(h)将5号双饼线圈一端的超导带材抽头5c以螺旋层绕方式绕至1号双饼线圈，将1号双饼线圈的超导带材抽头1c和5c端部的金属保层去除后露出里面的超导层，接着搭接两个超层表面并进行融熔扩散焊和氧化退火后形成超导接头，使超导磁体形成闭环，如图2(b)所示。
如图3所示，超导磁体形成闭环后采用圆管7、绝缘垫片8、磁体端部盖板9及螺栓10固定所有双饼线圈；在超导接头6两侧至磁体线圈之间的两根带材抽头上设置正负电极11作为电流引线；在超导接头6与正负电极11之间的超导带材上设置加热薄膜形成超导开关12；将接头两侧设置夹板13进行固定，获得闭环超导磁体。
本发明有以下技术效果：
本发明提供的闭环磁体的绕制方法仅需要制备一个可以远离磁体产生的强磁场环境的超导接头，而整个磁体部分无接头，可以避免强磁、强电条件下因接头处电学和机械性能低而引起的磁体性能退化或损坏，磁体结构也更加紧凑。
当超导接头的制备工艺不稳定时也仅需要剪去一个超导接头后重新制备，更加简便。
可以克服现有技术中第二代高温超导带材的超导接头制备困难，机械性能差，难以实现需要大量超导接头的超导磁体的持续电流模式闭环运行的缺陷。
采用本发明所述方法只需要两个可以正反方向转动的轴即可绕制超导磁体，工艺更简单，对绕制线圈的绕线机的要求更低，更实用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种闭环超导磁体的绕制方法，其特征在于，包括：
以主带盘中超导带材的端点为起点，将所述主带盘中的超导带材按照绕带长度为第一设定长度且缠绕方向为第一缠绕方向在过渡带盘上缠绕；所述第一设定长度为预设的缠绕一个单饼线圈的超导带材的长度；
将所述过渡带盘上的超导带材按照第二缠绕方向全部绕在第1个双饼线圈骨架的一侧形成第1个双饼线圈中的第1个单饼；当所述第一缠绕方向为顺时针时所述第二缠绕方向为逆时针，当所述第一缠绕方向为逆时针时所述第二缠绕方向为顺时针；
将所述主带盘上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度的2倍且缠绕方向为所述第一缠绕方向在第n个双饼线圈骨架的另一侧缠绕形成第n个双饼线圈中的第2个单饼；n大于或等于1；
将所述第n个双饼线圈中的第2个单饼上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度且缠绕方向为所述第二缠绕方向在第n+1个双饼线圈骨架的一侧缠绕形成第n+1个双饼线圈中的第1个单饼，至此完成第n个双饼线圈的绕制；
将所有双饼线圈按照序号同轴依次排列并将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与所述第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成超导接头，最终得到闭环超导磁体。
2.根据权利要求1所述的一种闭环超导磁体的绕制方法，其特征在于，当n为设定双饼线圈数量时，将所述主带盘上的超导带材按照绕带长度为所述第一设定长度且缠绕方向为所述第一缠绕方向在所述第n个双饼线圈骨架的另一侧缠绕形成第n个双饼线圈中的第2个单饼，至此完成设定双饼线圈数量双饼线圈的绕制。
3.根据权利要求2所述的一种闭环超导磁体的绕制方法，其特征在于，所述将最后一个双饼线圈的超导带材抽头的端部与所述第一个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成超导接头，具体包括：
将最后一个双饼线圈中的第2个单饼的超导带材抽头以螺旋层绕方式绕至所述第1个双饼线圈；
将所述最后一个双饼线圈中的第2个单饼的超导带材抽头的端部与所述第1个双饼线圈的超导带材抽头的端部连接形成闭环超导磁体。
4.一种闭环超导磁体，其特征在于，根据权利要求1-3中任意一项所述的闭环超导磁体的绕制方法得到。
5.根据权利要求4所述的一种闭环超导磁体，其特征在于，还包括：绝缘垫片、螺栓、圆管、第一盖板和第二盖板；所述第一盖板套设在所述圆管的一端，所述第二盖板套设在所述圆管的另一端，各所述双饼线圈均套设在所述圆管上且所有所述双饼线圈均位于所述第一盖板和所述第二盖板之间，所述绝缘垫片设置在各相邻单饼线圈之间，所述螺栓将所述第一盖板和所述第二盖板固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种闭环超导磁体，其特征在于，还包括：第一电极和第二电极，所述第一电极设置在第1双饼线圈的超导带材抽头上，所述第二电极设置在最后一个双饼线圈的超导带材抽头上。
7.根据权利要求6所述的一种闭环超导磁体，其特征在于，还包括：固定夹板，所述超导接头设置在所述固定夹板中，所述固定夹板用于固定所述超导接头。
8.根据权利要求7所述的一种闭环超导磁体，其特征在于，还包括：超导开关，所述超导开关设置在所述超导接头与所述第一电极之间或设置在所述超导接头与所述第二电极之间。
9.根据权利要求8所述的一种闭环超导磁体，其特征在于，所述超导开关为加热薄膜。
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