一種基于ReBCO涂層超導片的超導磁體的制作方法

本發明屬于超導磁體技術領域，特別涉及一種基于ReBCO涂層超導片的超導磁體。

背景技術：

超導磁體在超導領域占有重要地位，在需要強磁場的場合，如磁約束核聚變托卡馬克裝置、核磁共振、加速器等，超導磁體常常是最佳選擇。與普通磁體相比，超導磁體具有磁場強度高、功耗低、體積小和穩定性高等優點。

隨著ReBCO(稀土系鋇銅氧，Re為Y、Sm或Nd)涂層導體制備技術的不斷發展，ReBCO涂層導體在實際中的應用更為廣泛。ReBCO涂層導體不但具有良好的高場性能和外場下電磁特性，而且臨界電流密度高、交流損耗低、機械性能優越，可以在超導狀態下無阻傳輸電流。

目前實用的高溫超導材料大多采用帶狀結構，即超導帶材。制備高溫超導磁體常常需要將超導帶材彎曲、扭轉來繞制成雙餅式或螺管式結構。超導帶材的彎曲和扭轉變形受其機械性能的限制，對彎曲半徑有一定的要求；超導帶材的變形對其通流能力也會產生一定的影響。

超導磁體一般采用處于常溫的電源來勵磁，用電流引線連接電源和超導體。在超導磁體系統中，電流引線兩端分別處于低溫和室溫環境，其漏熱常常是超導低溫容器的主要熱源；同時電流引線電阻以及電流引線和超導線之間的焊接電阻，在通電時還會產生焦耳熱，提高冷卻系統的運行成本。以及高溫超導體的n值較小，磁場衰減較為明顯。

技術實現要素：

針對現有技術不足，本發明提供了一種基于ReBCO涂層超導片的超導磁體。

該超導磁體，超導片和絕緣片均為圓環片狀結構，且兩者的內徑和外徑均相同；N+1片絕緣片和N片超導片交替布置形成超導磁體，N為正整數；

所有超導片的堆疊方向一致；

在超導磁體上下加法蘭，上下法蘭之間通過絕緣拉桿連接固定。

所述超導片是在襯底上依次制備緩沖層、ReBCO涂層、保護層獲得；

所述襯底為Ni片、NiW片、哈氏合金片或不銹鋼片；

所述緩沖層為絕緣性的金屬氧化物；

所述保護層為銅薄膜層或銀薄膜層。

所述絕緣片為PPLP絕緣片、牛皮紙或有機絕緣薄片。

將一個超導磁體置入另一個超導磁體的中心圓孔內，得到組合嵌套式超導磁體，以提供強磁場。

一種基于ReBCO涂層超導片的超導磁體的應用：

將超導磁體置于裝有液氮的杜瓦容器中，杜瓦容器與制冷系統相連，進行調節超導磁體的溫度；

將空心螺管線圈同心同軸地置入超導磁體的中心圓孔內，向空心螺管線圈通入交變電流，交變電流上升沿時間不等于下降沿時間，在超導片中感應出凈超導電流，通過周期性地泵入交變電流，使超導磁體的感應電流不斷增大至期望值，此時切斷交變電流，超導磁體的電流保持恒定，維持一個穩定的磁場；當超導磁體的電流衰減時，重新接通交變電流進行補償；其中，所述空心螺管線圈的外徑小于超導片和絕緣片的內徑，軸向長度大于超導磁體的軸向長度。

本發明的有益效果為：

本發明提出一種新型超導磁體，由超導片和絕緣片交互堆疊構成，省去了彎曲和繞制環節，制造方便，結構簡單，無彎曲半徑限制；超導片是平面結構，在形成超導磁體的過程中只是簡單堆疊，無需變形，對超導材料的通流能力影響很小。通過調整超導磁體的內外半徑的大小，可以得到不同尺寸的超導磁體。在需要更強磁場的場合，可以將外半徑略小于內半徑的超導磁體進行組合嵌套，來得到所需要的磁場。

本發明采用磁通泵技術給超導磁體供電，通過電磁感應的方法在超導磁體內感應出電流，無需電流引線和焊接，既使得超導磁體結構緊湊，又降低了超導磁體的熱損耗。采用磁通泵技術，還便于在超導磁體的磁場衰減時進行補償。

本發明通過結合高溫超導ReBCO涂層導體、低溫液氮冷卻和磁通泵的優點，將三者的模型應用到超導磁體的設計中，超導磁體具有功耗小、效率高、結構簡單、操作簡便的優點，為高磁場強度的制備提供了新思路。

附圖說明

圖1為超導片的加工過程示意圖；其中，a-1為方形片狀襯底半成品的主視圖，a-2為方形片狀襯底半成品的剖視圖；b-1為襯底的主視圖，b-2為襯底的剖視圖；c-1為襯底上沉積緩沖層后的主視圖，c-2為襯底上沉積緩沖層后的剖視圖；d-1為超導片的主視圖；d-2為超導片的剖視圖。

圖2為絕緣片的示意圖；其中，a為主視圖，b為剖視圖。

圖3為一種基于ReBCO涂層超導片的超導磁體的示意圖。

圖4中a為采用磁通泵技術為一種基于ReBCO涂層超導片的超導磁體勵磁的示意圖；b為泵入磁通泵的交變電流示意圖。

以上所述剖視圖均為沿中軸線方向的剖視圖。

標號說明：1-襯底，2-緩沖層，3-ReBCO涂層，4-保護層，5-超導片，6-絕緣片，7-法蘭，8-法蘭定位孔，9-絕緣拉桿。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。

首先制備超導片5和絕緣片6，如下：

基于ReBCO涂層的超導片5的加工流程如圖1所示。

(1)襯底1的材料采用但不限于Ni、NiW、哈氏合金、不銹鋼，首先制作出如圖1a-1和圖1a-2所示的方形片狀襯底半成品；

(2)將方形片狀襯底半成品切割成內半徑為r2、外半徑為r1的圓環片狀，制得如圖1b-1和圖1b-2所示的襯底1；

(3)采用離子束輔助沉積技術(IBAD)、傾斜基底沉積技術(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脈沖激光沉積法(PLD)或濺射法(Sputtering)等工藝，在襯底1上沉積緩沖層2，如圖1c-1和圖1c-2所示；緩沖層2一般采用絕緣性的金屬氧化物，包括但不限于Y₂O₃、YSZ、CeO₂或YSZ；

(4)采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等工藝在緩沖層2上鍍上ReBCO涂層3，接著在ReBCO涂層3上鍍銀或銅薄膜作為保護層4，得到內半徑為r2、外半徑為r1的圓環片狀的超導片5，如圖1d-1和圖1d-2所示。

絕緣片6的加工流程如圖2所示。

絕緣片6采用但不限于PPLP絕緣材料、有機絕緣薄膜或牛皮紙；有機絕緣薄膜可以為環氧薄片。如圖2所示，將絕緣片6加工成內半徑為r2、外半徑為r1的圓環片狀結構。

然后將冷卻片5和絕緣片6交替布置形成超導磁體，保證超導磁體中，各圓環結構上下對齊；以及所有超導片6的堆疊方向一致，即超導片6有ReBCO涂層3的一面均朝上或均朝下。以下通過一個具體實施流程進行說明：

(1)放置好第一片絕緣片6，將第一片超導片5有ReBCO涂層3的一面朝上，堆疊在第一片絕緣片6上面；接著將第二片絕緣片6堆疊在第一片超導片5上面，將第二片超導片5有ReBCO涂層3的一面朝上，堆疊在第二片絕緣片6上面；然后將第三片絕緣片6堆疊在第二片超導片5上面，將第三片超導片5有ReBCO涂層3的一面朝上，堆疊在第三片絕緣片6上面；以此類推，進行多層絕緣片6與超導片5的交互堆疊，最后將一片絕緣片6堆疊在頂部，堆疊完畢，得到傳導冷卻超導磁體。堆疊時，保證各圓環上下對齊。

(2)堆疊完畢后，上下加法蘭7固定，法蘭7的內半徑為r2，外半徑大于r1；法蘭7上，在超出半徑為r1的圓的區域均勻開三個半徑為r3的法蘭定位孔8。上下法蘭7的中心孔與超導片5和絕緣片6對齊，且上下法蘭定位孔8上下對準。三根絕緣拉桿9的上下兩端分別穿過上下對應的法蘭定位孔8，并通過螺栓固定，將多層超導片7和絕緣片6堆疊結構的超導磁體夾緊固定。

如圖3所示為一種基于ReBCO涂層超導片的超導磁體，從下至上按照“絕緣片6、超導片5、絕緣片6、超導片5、絕緣片6、超導片5、絕緣片6”的順序，進行多片超導片5和絕緣片6的交互堆疊，得到超導磁體。

超導磁體需要從室溫降至超導溫度以下并維持，才能其保證正常運行。超導磁體的冷卻方式一般有三種：浸泡冷卻、迫流冷卻、熱傳導冷卻。浸泡冷卻是一種直接的、最簡便的冷卻方式，將超導磁體直接浸泡在冷卻介質中。浸泡冷卻方式，結構簡單，溫度穩定性好，并且超導磁體不受機械振動影響。采用液氮作為冷卻介質，可以降低冷卻成本。液氮可以裝在杜瓦容器中使用，為進一步減少外壁的輻射熱和傳導熱，可以在杜瓦容器外形成噴鋁薄膜，且內外壁間抽真空。液氮通過導管輸入，蒸發的氣體經回氣口逸出。杜瓦容器與低溫制冷系統相連，調節低溫環境，防止超導磁體失超，還可以實現液氮循環使用。

本發明采用磁通泵技術向超導磁體供電，實現對超導磁體的勵磁。如圖4a所示，將空心螺管線圈同心同軸地置入超導磁體的中心圓孔內，所述空心螺管線圈的外半徑略小于超導片5和絕緣片6的內半徑r2，軸向長度大于超導磁體的軸向長度。空心螺管線圈相當于變壓器原邊繞組，超導磁體中的超導片5相當于副邊繞組。向空心螺管線圈通入交變電流i1，控制電流頻率，利用電磁感應使超導片5感應出電流進而產生磁場。交變電流i1的上升沿時間小于下降沿時間，電流波形不限，可以采用如圖4b所示的三角波形，其OA的斜率大于AB的斜率，即電流上升速率大于下降速率。在交變電流i1上升過程中(圖4b中OA段)，各個超導片5流過大小相等、逆時針方向的感應電流；在交變電流i1下降過程中(圖4b中AB段)，各個超導片5流過大小相等、順時針方向的感應電流。雖然交變電流i1下降過程中產生的磁通相反，但不足以抵消交變電流i1上升過程中產生的磁通量，從而在超導片7中感應出逆時針方向的凈超導電流i2。通過周期性地泵入交變電流i1，使超導磁體的電流不斷增大至期望值，此時切斷交變電流i1，超導片5的電流保持恒定，維持一個穩定的磁場。當超導片的電流衰減時，重新接通交變電流i1進行補償。

當需要更強的磁場時，可以采用兩個超導磁體組合嵌套，即，一個超導磁體的外半徑為r4，內半徑為r5，外半徑r4略小于上述超導磁體的內半徑r2，將外半徑較小的超導磁體同心同軸地置入上述超導磁體內，得到組合嵌套式超導磁體。將外半徑略小于r5的空心螺管線圈同心同軸地置入組合嵌套式超導磁體的中心圓孔內，采用磁通泵技術向超導磁體供電，向空心螺管線圈通入交變電流，控制電流頻率，利用電磁感應使組合嵌套式超導磁體感應出電流進而產生穩定的磁場。

以上所述，僅為本發明具體實施方式的舉例，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。