TWI789078B - 無冷凍劑高溫超導聚頻磁鐵結構及其製造方法 - Google Patents

無冷凍劑高溫超導聚頻磁鐵結構及其製造方法 Download PDF

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Abstract

本揭露提供了一種無冷凍劑高溫超導聚頻磁鐵結構。超導聚頻磁鐵結構包含鐵心體和線圈結構。鐵心體包括垂直對齊的第一和第二半磁極陣列、位於第一半磁極陣列中的多個第一繞線鐵心、以及位於第二半磁極陣列中的多個第二繞線鐵心。線圈結構纏繞在鐵心體的第一繞線鐵心和第二繞線鐵心上。線圈結構包括多個第一超導帶，其接觸第一繞線鐵心和第二繞線鐵心中的每一個，以及多個第二超導帶，每一個第二超導帶與兩條相鄰的第一超導帶接觸。本揭露還提供了一種製造無冷凍劑高溫超導聚頻磁鐵結構的方法。

Description

無冷凍劑高溫超導聚頻磁鐵結構及其製造方法
本揭露實施例係關於一種超導聚頻磁鐵結構及其製造方法，特別是揭露一種不須使用冷凍劑為冷卻的高溫超導聚頻磁鐵。
同步加速器光源是由加速器所產生的電磁輻射(EM)，提供科學研究與技術發展。同步加速器光最初是在同步加速器中被觀察到，而目前同步輻射光是經由儲存環或其他粒子加速器透過偏轉電子所產生。加速器儲存環或自由雷射中的聚頻磁鐵產生垂直於電子束行進方向的正負交錯磁場，連續偏轉電子束，進而產生高亮度的同步輻射光源。
本揭露的一實施例係關於一種超導聚頻磁鐵結構，其包括：一鐵心體，其包括：一第一半磁極陣列和一第二半磁極陣列，該第二半磁極陣列與該第一半磁極陣列垂直對齊；多個第一繞線鐵心，位於該第一半磁極陣列中；及多個第二繞線鐵心，位於該第二半磁極陣列中；及一線圈結構，其纏繞在該鐵心體的該第一繞線鐵心和該第二繞線鐵心上，該線圈結構包括：多個第一超導帶，其與該第一繞線鐵心和該第二繞線鐵心 中的每一個接觸；及多個第二超導帶，每一個該第二超導帶與兩條相鄰的第一超導帶接觸。
本揭露的一實施例係關於一種超導聚頻磁鐵模組，其包括：一上鐵心體，其具有一第一上半磁極陣列和一第二上半磁極陣列，該第二上半磁極陣與該第一上半磁極陣列垂直對齊；一線圈結構，其纏繞在該上鐵心體上；一金屬板組，其被夾在該第一上半磁極陣列和該第二上半磁極陣列之間，且該線圈結構的一部分被夾在該金屬板組的兩塊金屬板之間；及一下鐵心體，其靠近該上鐵心體的一底部。
本揭露的一實施例係關於一種製造超導聚頻磁鐵結構的方法，該方法包括：形成多個線圈單元，每一個該線圈單元包括分別貼附於一第二超導帶的兩個邊緣的兩個第一超導帶；以一金屬板組將該多個線圈單元夾在中間，其中每一個該第一超導帶由該金屬板組的一側向外延伸；放置該金屬板組於一鐵心體內，該鐵心體包括一第一半磁極陣列和一第二半磁極陣列，該第二半磁極陣列與該第一半磁極陣列垂直對齊，且該金屬板組被放置於該第一半磁極陣列與該第二半磁極陣列之間；及纏繞該第一超導帶於該鐵心體上。
30:線圈結構
33:內部超導帶部分
34:外部超導帶部分
51:金屬板組
52:金屬板組
61:第一終端
62:第二終端
63:第三終端
64:第四終端
65:第五終端
66:第六終端
70A:上冷卻棒
70B:下冷卻棒
71A:上冷卻通道
71B:下冷卻通道
72:第三冷卻棒
81:磁極單元
82:磁極單元
83:磁極單元
84:磁極單元
85A:平坦表面
85B:平坦表面
86A:平坦表面
86B:平坦表面
90:電子束
100:鐵心體
100A:上鐵心體
100B:下鐵心體
101:第一半磁極陣列
101A:頂表面
102:第二半磁極陣列
102B:底表面
103:第一繞線鐵心
103A:頂表面
103C:半圓端
104:第二繞線鐵心
104B:底表面
105:第三半磁極陣列
105A:頂表面
106:第四半磁極陣列
106B:底表面
107:第三繞線鐵心
107A:頂表面
108:第四繞線鐵心
108B:底表面
108C:半圓端
301:第一超導帶
301A:第一超導帶301的外部區段
302:第二超導帶
411:第一引導組件
412:第二引導組件
413:第三引導組件
421:第一引導組件
422:第二引導組件
423:第三引導組件
511a:金屬板組51的第一部分
511b:金屬板組51的第二部分
512:第二金屬板
521a:金屬板組52的第一部分
521b:金屬板組52的第二部分
522:第二金屬板
C1:電磁線圈
C2:電磁線圈
C3:電磁線圈
C4:電磁線圈
C5:電磁線圈
C6:電磁線圈
C7:電磁線圈
Cn:電磁線圈
W1:寬度
W2:寬度
S1:平坦表面
S2:平坦表面
S31:平坦表面
S32:平坦表面
在結合附圖閱讀時，從下文詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據產業中之標準實務，各種結構未按比例繪製。實際上，為使討論清楚，可任意增大或減小各種結構之尺寸。
圖1繪示出根據本揭露一些實施例的鐵心體三維圖。
圖2A繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體三維圖。
圖2B繪示出根據本揭露一些實施例的磁極單元側視圖。
圖2C繪示出根據本揭露一些實施例的磁極單元側視圖。
圖3A繪示出根據本揭露一些實施例的下鐵心體三維圖示。
圖3B繪示出根據本揭露一些實施例的磁極單元側視圖。
圖3C繪示出根據本揭露一些實施例的磁極單元側視圖。
圖4A繪示出根據本揭露一些實施例的第一超導帶俯視圖。
圖4B繪示出根據本揭露一些實施例的第二超導帶俯視圖。
圖4C繪示出根據本揭露一些實施例的展開的線圈結構俯視圖。
圖5繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體側視圖。
圖6繪示出根據本揭露一些實施例的下鐵心體側視圖。
圖7A繪示出根據本揭露一些實施例的金屬板組之立體三維圖。
圖7B繪示出根據本揭露一些實施例的金屬板組三維圖。
圖8繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體側視圖。
圖9A繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體側視圖。
圖9B繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體側視圖。
圖10繪示出根據本揭露一些實施例的下鐵心體側視圖。
圖11A繪示出根據本揭露一些實施例的下鐵心體側視圖。
圖11B繪示出根據本揭露一些實施例的下鐵心體側視圖。
圖12A繪示出根據本揭露一些實施例的線圈單元俯視圖。
圖12B繪示出根據本揭露一些實施例的金屬板和其上的線圈單元之三維圖。
圖12C繪示出根據本揭露一些實施例的超導聚頻磁鐵結構 三維圖。
圖13A繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體側視圖。
圖13B繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體側視圖。
圖13C繪示出根據本揭露一些實施例的上鐵心體側視圖。
以下揭露提供用於實現所提供標的之不同構件之諸多不同實施例或示例。下文將描述組件及配置之具體示例以簡化本揭露。當然，此等僅為示例且不意在產生限制。例如，在以下描述中，在第二構件上方或第二構件上形成第一構件可包含其中第一構件及第二構件形成為直接接觸之實施例，且亦可包含其中可在第一構件與第二構件之間形成額外構件使得第一構件及第二構件可不直接接觸的實施例。此外，本揭露可在各個示例中重複參考符號及/或字母。此重複係為了簡單及清楚且其本身不指示所討論之各種實施例及/或組態之間的一關係。
此外，為便於描述，諸如「下面」、「下方」、「下」、「上方」、「上」及其類似者之空間相對術語在本揭露中可用於描述一元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中所繪示出。除圖中所描繪之方向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在使用或操作中之不同方向。設備可依其他方式方向(旋轉90度或依其他方向)且亦可因此解譯本揭露中所使用之空間相對描述詞。
如本揭露所用，諸如「第一」、「第二」和「第三」之類的術語描述了各種元件、組件、區域、層及/或部分，這些元件、組件、區域、層及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語可能僅用於將一個元件、組件、區域、層或部分與其他區分開來。除非上下文清楚指明，否則 本揭露中使用的諸如「第一」、「第二」和「第三」之類的術語不意指排序或順序。
在一種用於自同步輻射設備中的電子束提取同步輻射的聚頻磁鐵中，提供有一對彼此平行且相對排列的磁鐵陣列以產生週期性磁場，此週期性磁場使接近光速的電子束產生週期性波動，而產生高亮度的同步輻射光。週期性磁場可以由永久磁鐵或電磁鐵產生。即一般來說，磁場是由永久磁鐵或諸如超導線圈等電磁線圈產生的，且如普遍所知悉的，超導聚頻磁鐵可以提供比永久聚頻磁鐵更大的磁場強度。然而，到目前為止，超導聚頻磁鐵必須在極低的溫度下運行，例如，必須藉由使用液態氦作為冷凍劑來運行，以將工作溫度保持在只有大約為4.2K。這種顧慮造就開發一種可以在不需要液態氦的環境下運行的新型超導聚頻磁鐵結構的需求。因此，本揭露提供了一種不再依賴液態氦供應因素的高溫超導聚頻磁鐵。
圖1繪示出根據本揭露一些實施例的超導聚頻磁鐵模組的上鐵心體100A和下鐵心體100B。下鐵心體100B靠近上鐵心體100A的底部，從而與上鐵心體100A垂直對齊。因此，電子束90可以穿過上鐵心體100A和下鐵心體100B之間的間隙。為了說明上鐵心體100A和下鐵心體100B的結構細節，圖2A至圖2C以及圖3A至圖3C進一步繪示出用於本揭露的鐵心體。
參考圖2A，在一些實施例中，本揭露的超導聚頻磁鐵結構包括上鐵心體100A，其中本揭露的鐵心體100的上部被分成兩個半陣列。例如，如圖所示，上鐵心體100A可以包括第一半磁極陣列101和第二半磁極陣列102，而第二半磁極陣列102與第一半磁極陣列101垂直對齊。在一 些實施例中，上鐵心體100A的第一半磁極陣列101和第二半磁極陣列102由純鐵或低碳鋼製成。
由於鐵心體(即上鐵心體100A和下鐵心體100B)用於增加電磁線圈中的磁場強度，因此在本揭露的一些實施例中，鐵心體100還包括多個繞線鐵心，用於在鐵心體100上纏繞電磁線圈。在一些實施例中，如圖2A所示的上鐵心體100A和其中的磁極單元81、82的側視圖，進一步如圖2B和2C所示，上鐵心體100A包括第一半磁極陣列101中的多個第一繞線鐵心103和第二半磁極陣列102中的多個第二繞線鐵心104。在一些實施例中，第一繞線鐵心103和第二繞線鐵心104用於提供繞線凹槽，因此，繞線鐵心的表面可以不與鐵心體100的其他部分共面。
例如，如圖2B所示，第一半磁極陣列101中的第一繞線鐵心103的頂表面103A可以略低於第一半磁極陣列101的頂表面101A。同樣地，如圖2C所示，第二半磁極陣列102中的第二繞線鐵心104的底表面104B可以略高於第二半磁極陣列102的底表面102B。相比之下，由於第一半磁極陣列101和第二半磁極陣列102之間設置有金屬板組(稍後將在圖7A中討論)，因此第一繞線鐵心103和第二繞線鐵心104的另一側面的結構特徵不同。在這樣的實施例中，第一繞線鐵心103和第二繞線鐵心104均與金屬板組接觸，因此在上鐵心體100A的中心處的磁極單元81或82之間沒有高度差。位於上鐵心體100A的中心處的磁極單元81和82可以由此分別具有平坦表面85A和85B以完全接觸金屬板組。
參考圖3A，在一些實施例中，本揭露中的超導聚頻磁鐵結構包括下鐵心體100B，其中本揭露的下鐵心體100B也與上鐵心體100A一樣分為兩個半陣列。如圖所繪示，下鐵心體100B可以包括第三半磁極陣 列105和第四半磁極陣列106，而第四半磁極陣列106與第三半磁極陣列105垂直對齊。在一些實施例中，下鐵心體100B的第三半磁極陣列105和第四半磁極陣列106的材料與上鐵心體100A的材料相同。
在一些實施例中，如圖3A所示的下鐵心體100B和其中的磁極單元83、84的側視圖，進一步如圖3B和3C所示，下鐵心體100B包括第三半磁極陣列105中的多個第三繞線鐵心107和第四半磁極陣列106中的多個第四繞線鐵心108。在一些實施例中，第三繞線鐵心107和第四繞線鐵心108用於提供繞線凹槽，因此繞線鐵心的表面可以不與鐵心體的其他部分共面。
例如，如圖3B所示，第三半磁極陣列105中的第三繞線鐵心107的頂表面107A可以略低於第三半磁極陣列105的頂表面105A。同樣地，如圖3C所示，第四半磁極陣列106中的第四繞線鐵心108的底表面108B可略高於第四半磁極陣列106的底表面106B。如同上鐵心體100A中的第一半磁極陣列101和第二半磁極陣列102之間的空間，第三半磁極陣列105和第四半磁極陣列106之間的空間用於在其中設置另一金屬板組。在這樣的實施例中，第三繞線鐵心107和第四繞線鐵心108均與金屬板組接觸，因此下鐵心體100B中心處的磁極單元83或84之間不存在高度差。位於下鐵心體100B的中心處的磁極單元83和84由此可以分別具有平坦表面86A和86B以完全接觸金屬板組。
此外，在一些實施例中，第一繞線鐵心103和第四繞線鐵心108用於在當上鐵心體100A和下鐵心體100B上纏繞線圈結構時提供起點。更詳細地，如圖2B和3C所示，在這樣的實施例中，每一個第一繞線鐵心103和每一個第四繞線鐵心108包括半圓端(即103C和108C)和與半圓 端相對的平坦端。
在一些實施例中，如上文所描述，線圈結構用於纏繞在鐵心體的繞線鐵心上。如圖4A至4C所示，揭露了線圈結構30。線圈結構30可以包括與每一個繞線鐵心(例如，第一繞線鐵心103和第二繞線鐵心104)的表面接觸的多個第一超導帶301，以及與兩個相鄰的第一超導帶接觸的多個第二超導帶302。本揭露的線圈結構30包括帶狀或片狀結構，而不是具有圓形橫截面或矩形橫截面的線材結構。也就是說，本揭露的線圈結構30的寬度明顯大於其厚度。在一些實施例中，線圈結構30包括諸如稀土鋇銅氧化物(REBCO)的超導材料。在一些實施例中，線圈結構30超導帶包括至少包括REBCO層的多層結構。在一示例中，線圈結構30包括具有REBCO層的超導帶，這種超導帶的厚度約為0.1毫米，寬度約為4.0毫米。
與諸如鈮鈦(NbTi)之類的低溫超導材料相比，諸如REBCO之類的高溫超導(HTS)材料可在相對高溫下例如在約77K下表現出超導性。因此，藉由使用具有高溫超導材料的線圈結構30，本揭露中的超導聚頻磁鐵模組可以不使用冷凍劑，例如液態氦。
換言之，本揭露的超導聚頻磁鐵模組不再受液態氦的限制，因為使用低溫致冷器可以達到25K的低溫條件且該溫度下，高溫超導帶仍保有高電流密度。然而，REBCO製造的超導帶不能自由彎曲，因此本揭露的超導帶並不是像NbTi超導線材那樣簡單地纏繞在鐵心體上。更準確地說，如先前在圖2A和3A中所示，半磁極陣列內有多個繞線鐵心，但帶狀的超導帶不能側向彎曲以在不同繞線鐵心之間切換。因此，本揭露提供了一種新穎的方法來克服由超導帶的物理特性引起的纏繞問題。
如圖4A所示，在一些實施例中，第一超導帶301用作繞線中的主要部分，因此，第一超導帶301可以具有較長的長度和略小於繞線鐵心寬度的寬度W1。另一方面，如圖4B和4C所示的實施例，第二超導帶302被用作橋接部分，因此在橋接區域內的第二超導帶302可以具有較短的長度和至少大於第一超導帶301的寬度W1兩倍的寬度W2。
在一些實施例中，第二超導帶302可以稱為超導橋接片。在一些實施例中，根據第二超導帶302的位置，第二超導帶302可分為多個內部第二超導帶和多個外部第二超導帶。下文將討論第二超導帶302的分類。
在一些實施例中，每一個第二超導帶302與該磁極兩側相鄰電磁線圈的兩個第一超導帶301接觸，例如，如圖4C所繪示，電磁線圈C1、C2、C3、…和Cn可以藉由第二超導帶302電性連接，因此形成實質上連續的線圈結構。實際上，第二超導帶302作為終端銲接面與相鄰電磁線圈的第一超導帶301電性連接，即第一超導帶301在通過銲接面時方向反轉，並且多個第一超導帶301彼此完全平行。通常，第一超導帶301在纏繞在繞線鐵心上之前與多個第二超導帶302(例如，多個內部超導帶部分33)接合。如圖4C所示，在一些實施例中，靠近線圈結構30兩側的每一個第一超導帶301可以具有不與第二超導帶302接觸的連接區段301A。第一超導帶301的外部區段301A可以連接到諸如電力供應或其他電子裝置等電流源。此外，線圈結構30可進一步分為內部超導帶部分33和外部超導帶部分34，其中內部超導帶部分33主要是沿著第一、第二、第三或第四繞線鐵心103、104、107、108纏繞的部分，而外部超導帶部分34是主要是位於上鐵心體100A和下鐵心體100B側面的部分。
如上文所描述，由REBCO製成的超導帶不能自由彎曲。因此，為了將第一超導帶301纏繞在繞線鐵心上，繞線鐵心的結構設計要符合超導帶的物理特性。再次參考圖2A和2B，第一繞線鐵心103包括半圓端103C。在一些實施例中，第一繞線鐵心103的半圓端103C具有大於大約11毫米的曲率半徑。即在繞線鐵心曲率半徑大於特定閾值(即超導帶的最小彎曲半徑)的情況下，可以稍微彎曲第一超導帶301以沿著繞線鐵心的表面貼附。
如圖2A和2B所示，因為第一繞線鐵心103包括平坦端並且第二繞線鐵心104的兩端是平坦的，這使得第一超導帶301限於其物理特性而不能準確地貼附在接近第一繞線鐵心103及第二繞線鐵心104的直角轉折的表面上。因此，在本揭露的一些實施例中，提供多個引導組件以消去繞線路徑內的直角轉折。
參考圖5，其繪示出藉由利用上鐵心體100A中的磁極單元81、82的繞線鐵心和多個引導組件的結構特徵；在一些實施例中，超導聚頻磁鐵結構還包括與第二繞線鐵心104和第一繞線鐵心103的半圓端103C連接的第一引導組件411。更準確地說，第一引導組件411接觸第一繞線鐵心103的整個半圓端103C和第二繞線鐵心104的平坦端之一。而且，超導聚頻磁鐵結構還包括連接到第一繞線鐵心103和第二繞線鐵心104的平坦端的第二引導組件412，其中兩個平坦端完全被第二引導組件412覆蓋。在一些實施例中，第一引導組件411和第二引導組件412均具有半圓形輪廓，其中這些引導組件的曲率半徑大於超導帶的最小彎曲半徑。在一些實施例中，第一引導組件411的形狀與第二引導組件412的形狀不同，因為第一引導組件411具有對應第一繞線鐵心103的半圓端103C的凹 部。在一些實施例中，第一引導組件411和第二引導組件412的厚度小於第一繞線鐵心103和第二繞線鐵心104的厚度。引導組件411、412、421和422由銅、鋁合金等製成。在一些實施例中，引導組件411、412、421和422由非磁性材料製成。
第一引導組件411和第二引導組件412經配置以提供用於在其上纏繞第一超導帶301的連續表面。如圖5所示，第一繞線鐵心103的平坦端和第二繞線鐵心104的兩個平坦端被引導組件覆蓋，並且將繞線鐵心的輪廓改變為單一環形軌道狀以在其上纏繞超導帶。
參考圖6，其繪示出藉由使用下鐵心體100B中的磁極單元83、84的繞線鐵心和多個引導組件的結構特徵；如圖5所示的實施例，圖6中第三繞線鐵心107的兩個平坦端被第一引導組件421和第二引導組件422覆蓋，而第四繞線鐵心108的平坦端和半圓端108C分別被第一引導組件421和第二引導組件422覆蓋。如上文所描述，這些引導組件可以消去繞線路徑內的直角轉折，因此下鐵心體100B中的繞線鐵心的輪廓也改變為單一環形軌道狀以在其上纏繞超導帶。
此外，在本揭露中採用的冷卻組件也在圖5和圖6中繪示出。如圖5所示，第一半磁極陣列(以磁極單元81表示)和第二半磁極陣列(以磁極單元82表示)夾有金屬板組51，用於冷卻超導帶。在一些實施例中，金屬板組51包括分為第一部分511a和第二部分511b的第一金屬板，以及堆疊在第一金屬板下方的第二金屬板512。在一些實施例中，金屬板組51由銅製成。相同地，如圖6所示，第三半磁極陣列(以磁極單元83表示)和第四半磁極陣列(以磁極單元84表示)夾有金屬板組52，用於冷卻超導帶。在一些實施例中，金屬板組52包括分為第一部分521a和第二部分 521b的第一金屬板，以及堆疊在第一金屬板下方的第二金屬板522。事實上，金屬板組51與金屬板組52實質上相同。在一些實施例中，連接到低溫致冷器的上冷卻棒70A和下冷卻棒70B可用於藉由與其接觸來冷卻上鐵心體100A和下鐵心體100B，而上冷卻棒70A和下冷卻棒70B分別連接到上冷卻通道71A和下冷卻通道71B。在一些實施例中，可以使用更多的冷卻棒來冷卻線圈結構30，這將在下文描述。
在本揭露中，藉由使用低溫致冷器來冷卻金屬板組51、52，這是一種可能達到低溫的冷卻裝置。一般來說，超導磁鐵的冷卻可由液態氦和低溫致冷器的組合，或單獨使用液態氦來實行；然而，由於本揭露採用的超導帶是由高溫超導材料製成，預計由此可實現無須冷凍劑的冷卻結構。
金屬板組51、52的結構特徵與本揭露中揭露的繞線技術有關。請參考圖7A及圖7B，其中圖7A為圖7B中金屬板組51的分解圖，並包含若干條超導帶以作說明。如圖7所示，第一金屬板的第一部分511a和第二金屬板512可以分別包括平坦表面S1和S2。這些平坦表面S1和S2經配置以與超導帶的銲接面部分接觸，因為超導帶的銲接面部分在操作過程中可能會發熱，因此本揭露中的冷卻概念集中在超導帶的銲接面部分。
如先前在圖4C中繪示和提到的，每一個第二超導帶302實質上是作為終端銲接面與相鄰電磁線圈的第一超導帶301電性連接。因此，在一些實施例中，第一數量的第二超導帶302(即一部分數量的第二超導帶302，其可稱為內部第二超導帶)完全被第一金屬板的平坦表面S1和第二金屬板512的平坦表面S2夾在中間。這種扁平三明治夾層特徵與常規技術不同，因為常規聚頻磁鐵中的超導帶的銲接面部分被用於設置在繞線鐵 心的轉向結構處。
另一方面，藉由上文所描述的在平坦表面上設置第二超導帶302，對線圈結構的冷卻將非常有效，並確保完全避免使用液態氦等冷凍劑。
在一些實施例中，金屬板組由銅製成。此外，金屬板組51的第一金屬板可分為兩部分。如圖7A所示，第二部分511b靠近金屬板組51的一側且厚度逐漸增加。第一金屬板的第二部分511b經配置以引導第一超導帶301纏繞在第一繞線鐵心103的半圓端103C上，因此，第一超導帶301可以順暢地通過金屬板組51與第一繞線鐵心103之間的路徑。
由於下鐵心體100B與上鐵心體100A對稱，下鐵心體100B的第三半磁極陣列105與第四半磁極陣列106之間的金屬板組52的結構特徵與金屬板組51實質上相同，此處不再贅述。
參考圖8，在一些實施例中，超導聚頻磁鐵結構包括靠近第一引導組件411的第三引導組件413。第三引導組件413用於改變從第一引導組件411延伸出來的第一超導帶301的方向。第三引導組件413可提供平坦表面S31，其係類似於先前在圖7A中揭露的金屬板組51中的平坦表面S1、S2。
在一些實施例中，第三引導組件413的平坦表面S31可用於與纏繞在上鐵心體100A上的線圈結構30的外部超導帶部34接觸。線圈結構30的外部超導帶部分34內的第二超導帶302沒有被夾在金屬板組51、52的金屬板之間。即，在一些實施例中，一部分數量(第一數量)的第二超導帶302(內部第二超導帶)由金屬板組51、52直接冷卻，而另一部分數量(第二數量)的第二超導帶302(或稱為外部第二超導帶)藉由第三引導組件413 與第一上半磁極陣列101和第二上半磁極陣列102間隔開。這些第二超導帶302靠近第三引導組件413的平坦表面S31可以被第三冷卻棒72冷卻，其中第三冷卻棒72也連接到低溫致冷器。在一些實施例中，第三引導組件413由銅製成，可藉由低溫致冷器進行冷卻，以使其上的第一超導帶301和第二超導帶302保持合適的工作溫度。
在一些實施例中，沒有被金屬板組51覆蓋的第二超導帶302係因為第三引導組件413而被設置於上鐵心體100A的一側。在一些實施例中，第三引導組件413可具有多於一個彎曲部分以引導第一超導帶301的方向垂直於鐵心體(上鐵心體100A或下鐵心體100B)，並且每一個彎曲部分具有大於大約11毫米的曲率半徑以配合超導帶的物理特性。
圖9A和圖9B用於說明超導聚頻磁鐵結構中線圈結構的位置和電流方向(箭頭所繪示)，其中大部分結構的參考符號已在圖8中標出，為簡潔起見，在圖9A和9B中省略。在本揭露的一些實施例中，電流由電源供應器連續提供。參考圖9A，以上鐵心體100A的一部分為示例，電流可以來自其中具有第二超導帶302的第一終端61(在上文圖4C中示出的內部超導帶部分33內)，電流可以依序通過沿以下路徑纏繞的第一超導帶301，包括：(a)第一金屬板的第一部分511a與第二部分511b之間的介面；(b)第一引導組件411的凹部與第一繞線鐵心103的半圓端103C的介面；(c)第一繞線鐵心103的上表面；(d)第二引導組件412的彎曲表面；(e)第二繞線鐵心104的下表面；及(f)第一引導組件411的彎曲表面。在將區段(c)至(f)纏繞一次或多次之後，第一超導帶301藉由第三引導組件413的引導進一步被引導到第二終端62(在上文圖4C中示出的外部超導帶部分34內)。第二超導帶302位於第二終端62處以橋接另一第一超導帶301並使電 流轉向。
圖9B繪示出上鐵心體100A的另一部分，其正好與圖9A所示的部分相鄰，圖9B中的超導帶通過位於第二終端62處的第二超導帶302與圖9A中的超導帶電性連接，因此，電流可來自第二終端62並通過沿路線纏繞的第一超導帶301，該路線依序包括上述區段(f)至(a)。第二超導帶302位於第三終端63處以橋接另一第一超導帶301並再次使電流轉向，依此類推。
參考圖10，在一些實施例中，超導聚頻磁鐵結構包括靠近第一引導組件421的另一第三引導組件423。第三引導組件423可提供另一平坦表面S32，以供纏繞在下鐵心體100B上的線圈結構30的外部超導帶部分34完全且平坦地接觸。在一些實施例中，用於上鐵心體100A的第三引導組件413不同於用於下鐵心體100B的第三引導組件423，因為第三引導組件413和423都將第一超導帶301引導向超導聚頻磁鐵模組的上側，因此，即使超導聚頻磁鐵結構的上部和下部幾乎是對稱的，第三引導組件413和423的結構應不同。在一些實施例中，另一第三冷卻棒72可位於靠近第三引導組件423的平坦表面S32，用於冷卻線圈結構30的外部超導帶部分34。
圖11A和圖11B用於說明超導聚頻磁鐵結構中線圈結構的位置和電流方向，其中大部分結構的參考符號已在圖10中標出，為簡潔起見，在圖11A和11B中省略。參考圖11A，以下鐵心體100B的一部分為示例，電流可以來自其中具有第二超導帶302的第四終端64，並且電流可以通過第一超導帶301，該第一超導帶301沿著與上文中圖9A所示的路線類似的路線纏繞，為簡潔起見在此省略。藉由第三引導組件423的引導，第 一超導帶301進一步被引導至第五終端65。第二超導帶302位於第五終端65處以橋接另一第一超導帶301並使電流轉向。
圖11B繪示出下鐵心體100B的與圖11A所示的部分剛好相鄰的另一部分，圖11B中的超導帶通過位於第五終端65的第二超導帶302與圖11A中的超導帶電性連接，因此，電流可以來自第五終端65並通過沿著與上文中圖9B所示的路線類似的路線纏繞的第一超導帶301。藉由第三引導組件423的引導，第一超導帶301進一步被引導至第六終端66。第二超導帶302位於第六終端66處以橋接另一第一超導帶301並再次使電流轉向，依此類推。
圖12A至12C和13A至13C繪示出用於製造上文所示的實施例中的超導聚頻磁鐵結構的若干操作。參考圖12A，在纏繞超導帶之前係先行形成多個線圈單元300。在一些實施例中，每一個線圈單元300包括分別貼附到第二超導帶302的兩個邊緣的兩個第一超導帶301。接下來，參考圖12B，線圈單元300可以設置在金屬板組51的金屬板之一(例如，第二金屬板512)上方。設置在金屬板上的線圈單元300的數量取決於鐵心體的繞線鐵心的數量，而圖12B中的數量僅用於說明。然後多個線圈單元300被夾在金屬板組51之間，其中每一個第一超導帶301從金屬板組51側延伸出來的金屬板組側向外延伸。然後，參考圖12C，其係本揭露一些實施例所使用的鐵心體(例如，上鐵心體100A)，其中鐵心體包括第一半磁極陣列101和與第一半磁極陣列101垂直對齊的第二半磁極陣列102。在其中具有多個線圈單元300的金屬板組51位於第一半磁極陣列101和第二半磁極陣列102之間。然後，可以將第一超導帶301纏繞在鐵心體上。磁場的方向也在圖12C中用寬箭頭標記。
在圖12A至12C中所示的預繞線操作之後，本揭露中揭露的繞線細節在圖13A至13C中繪示。參考圖13A，第一超導帶301(由箭頭所繪示)可以沿著每一個第一繞線鐵心103的半圓端103C纏繞。接著，第一超導帶301可以沿著每一個第一繞線鐵心103的上表面、每一個第二引導組件412的彎曲表面、以及每一個第二繞線鐵心104的下表面纏繞，其中每一個第二引導組件412連接到第二繞線鐵心104的平坦端。然後，參考圖13B，第一引導組件411安裝於每一個第一繞線鐵心103的半圓端103C，因此半圓端103C被第一引導組件411覆蓋。另一方面，藉由第一引導組件411、第一繞線鐵心103、第二引導組件412和第二繞線鐵心104的組合形成環形軌道狀，並且第一超導帶可以在這種環形軌道狀繞線結構上纏繞一次或多次。另外，參考圖13C，第一超導帶301還可沿著第三引導組件413靠近第一引導組件411纏繞，以轉換第一超導帶301從第一引導組件411延伸的方向。因此，如圖12A和12B所示的線圈單元300可以藉由在第三引導組件413處與其他第二超導帶302接合來連接。
如圖11A和圖13A所繪示，或與圖5和圖6之間的垂直比較，線圈結構30分別通過半圓端103C和108C從金屬板組51、52纏繞到繞線鐵心的外部表面，其中半圓端103C和108C位於超導聚頻磁鐵模組的相對兩側，並且與上鐵心體100A、下鐵心體100B之間的電子束相距相同的距離。換言之，超導聚頻磁鐵模組提供的磁場分佈將對稱於電子束。
簡而言之，根據上文所描述實施例，本揭露中揭露的超導聚頻磁鐵可以免用冷凍劑進行冷卻。此外，由於本揭露改變了冷卻機制，因此進一步改進了繞線結構，以滿足高溫超導帶的物理性能。總體而言，與傳統的超導聚頻磁鐵相比，由於免用冷凍劑並且超導帶的銲接面被最佳 化以位於金屬板的平坦表面上，因此超導聚頻磁鐵可以具有更好的性能和更低的成本，且冷卻效果明顯提高。
在一示例性態樣，提供了一種超導聚頻磁鐵結構。超導聚頻磁鐵結構包括鐵心體和線圈結構。鐵心體包括第一半磁極陣列和與第一半磁極陣列垂直對齊的第二半磁極陣列。第一半磁極陣列中的多個第一繞線鐵心；第二半磁極陣列中的多個第二繞線鐵心。線圈結構纏繞於鐵心體的第一繞線鐵心與第二繞線鐵心上。線圈結構包括多個第一超導帶，分別與每一個第一繞線鐵心和每一個第二繞線鐵心接觸；及多個第二超導帶，每一個第二超導帶與相鄰的兩個第一超導帶接觸。
在另一示例性態樣，提供了一種超導聚頻磁鐵模組。超導聚頻磁鐵模組包括上鐵心體、線圈結構、金屬板組和下鐵心體。上鐵心體具有第一上半磁極陣列和與第一上半磁極陣列垂直對齊的第二上半磁極陣列。線圈結構纏繞在上鐵心體上。金屬板組夾在第一上半磁極陣列和第二上半磁極陣列之間，線圈結構的部分被夾在上金屬板組的兩個金屬板之間。下鐵心體頂部靠近上鐵心體的底部。
在又一示例性態樣，提供了一種製造超導聚頻磁鐵結構的方法。該方法包括以下操作。形成多個線圈單元，每一個線圈單元包括分別貼附於第二超導帶的兩個邊緣的兩個第一超導帶。多個線圈單元被夾在金屬板組之間，其中每一個第一超導帶從金屬板組的一側向外延伸。放置金屬板組於鐵心體內，鐵心體包括第一半磁極陣列和與第一半磁極陣列垂直對齊的第二半磁極陣列，而金屬板組是被放置於第一半磁極陣列與第二半磁極陣列之間。纏繞第一超導帶在鐵心體上。
上文已概述若干實施例之特徵，使得熟習技術者可較佳理 解本揭露之態樣。熟習技術者應瞭解，其可易於將本揭露用作設計或修改其他程序及結構以實施相同於本揭露中所引入之實施例之目的及/或達成相同於本揭露中所引入之實施例之優點的一基礎。熟習技術者亦應認識到，此等等效建構不應背離本揭露之精神及範疇，且其可在不背離本揭露之精神及範疇的情況下對本揭露作出各種改變、替換及變更。
90:電子束
100:鐵心體
100A:上鐵心體
100B:下鐵心體

Claims (19)

  1. 一種超導聚頻磁鐵結構，其包括：一鐵心體，其包括：一第一半磁極陣列和一第二半磁極陣列，該第二半磁極陣列與該第一半磁極陣列垂直對齊；多個第一繞線鐵心，位於該第一半磁極陣列中，其中每一個該第一繞線鐵心包括一半圓端和與該半圓端相對的一平坦端；及多個第二繞線鐵心，位於該第二半磁極陣列中；及一線圈結構，其纏繞在該鐵心體的該第一繞線鐵心和該第二繞線鐵心上，該線圈結構包括：多個第一超導帶，其與該第一繞線鐵心和該第二繞線鐵心中的每一個接觸；及多個第二超導帶，每一個該第二超導帶與兩條相鄰的第一超導帶接觸。
  2. 如請求項1之超導聚頻磁鐵結構，還包括：一第一引導組件，其連接該第二繞線鐵心與該第一繞線鐵心的該半圓端；及一第二引導組件，其連接該第二繞線鐵心與該第一繞線鐵心的該平坦端。
  3. 如請求項2之超導聚頻磁鐵結構，還包括： 一第三引導組件，其靠近該第一引導組件，該第三引導組件經配置以將該第一超導帶從該第一引導組件所延伸的一方向轉向。
  4. 如請求項1之超導聚頻磁鐵結構，其中該多個第一超導帶彼此完全平行。
  5. 如請求項1之超導聚頻磁鐵結構，其中該多個第一超導帶和該多個第二超導帶包括稀土鋇銅氧化物(REBCO)。
  6. 如請求項1之超導聚頻磁鐵結構，還包括：一第一金屬板和一第二金屬板，其位在該第一半磁極陣列和該第二半磁極陣列之間；其中該多個第二超導帶被平坦地夾在該第一金屬板和該第二金屬板之間。
  7. 如請求項1之超導聚頻磁鐵結構，其中該第二超導帶的寬度大於該第一超導帶的寬度的兩倍。
  8. 如請求項1之超導聚頻磁鐵結構，其中該第一繞線鐵心的該半圓端的一曲率半徑大於該第一超導帶的一最小彎曲半徑。
  9. 一種超導聚頻磁鐵模組，其包括：一上鐵心體，其具有一第一上半磁極陣列和一第二上半磁極陣列， 該第二上半磁極陣與該第一上半磁極陣列垂直對齊；一線圈結構，其纏繞在該上鐵心體上；一金屬板組，其被夾在該第一上半磁極陣列和該第二上半磁極陣列之間，且該線圈結構的一部分被夾在該金屬板組的兩塊金屬板之間；及一下鐵心體，其靠近該上鐵心體的一底部。
  10. 如請求項9之超導聚頻磁鐵模組，其中該下鐵心體與該上鐵心體對稱。
  11. 如請求項9之超導聚頻磁鐵模組，其中該線圈結構包括：多個第一超導帶；及多個第二超導帶，每一個該第二超導帶與兩條相鄰的第一超導帶接觸；其中該兩條相鄰的第一超導帶分別靠近該第二超導帶的兩個邊緣。
  12. 如請求項11之超導聚頻磁鐵模組，其中該多個第二超導帶中的一第一數量的每一個都與該金屬板的平坦表面完全接觸。
  13. 如請求項12之超導聚頻磁鐵模組，其中一第二數量的該多個第二超導帶中經由一引導組件與該第一上半磁極陣列和該第二上半磁極陣列分隔開。
  14. 如請求項9之超導聚頻磁鐵模組，其中該上鐵心體還包括多個上半圓 端，該下鐵心體包括多個下半圓端，其中該上半圓端和該下半圓端位於該超導聚頻磁鐵模組的相對兩側，經配置以使該超導聚頻磁鐵模組提供的一磁場分佈對稱於通過電子束。
  15. 一種製造超導聚頻磁鐵結構的方法，該方法包括：形成多個線圈單元，每一個該線圈單元包括分別貼附於一第二超導帶的兩個邊緣的兩個第一超導帶；以一金屬板組將該多個線圈單元夾在中間，其中每一個該第一超導帶由該金屬板組的一側向外延伸；放置該金屬板組於一鐵心體內，該鐵心體包括一第一半磁極陣列和一第二半磁極陣列，該第二半磁極陣列與該第一半磁極陣列垂直對齊，且該金屬板組係被放置於該第一半磁極陣列與該第二半磁極陣列之間；及纏繞該第一超導帶於該鐵心體上。
  16. 如請求項15之方法，其中該鐵心體還包括在該第一半磁極陣列中的多個第一繞線鐵心和在該第二半磁極陣列中的多個第二繞線鐵心。
  17. 如請求項16之方法，其中將該第一超導帶纏繞在該鐵心體上的操作包括：沿著每一個該第一繞線鐵心的一半圓端纏繞該第一超導帶；沿著該第一繞線鐵心、多個第二引導組件以及該第二繞線鐵心纏繞該第一超導帶，其中每一個該第二引導組件連接該第一繞線鐵心的一平坦端； 將每一個該第一繞線鐵心的該半圓端安裝一第一引導組件，該半圓端被該第一引導組件覆蓋；及沿著該第一引導組件纏繞該第一超導帶。
  18. 如請求項17之方法，還包括：沿著靠近該第一引導組件的一第三引導組件纏繞該第一超導帶，以將該第一超導帶從該第一引導組件延伸的一方向轉向；及經由其他第二超導帶連接該線圈單元。
  19. 如請求項18之方法，其中該第一引導組件、該第一繞線鐵心、該第二引導組件與該第二繞線鐵心組合成一環形軌道狀結構，以在其上多次纏繞該第一超導帶。
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