[發(fā)明專利]用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310554826.8
• 申請日: 2013-11-09
• 公開（公告）號: CN103617859A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋云濤;鄭金星;黃雄一;劉旭峰;武松濤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院等離子體物理研究所
• 主分類號: H01F6/00
• 分類號: H01F6/00;H01F6/04;H01F41/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超導(dǎo)磁體領(lǐng)域，主要涉及用于高背景場的混合超導(dǎo)磁體線圈設(shè)計，具體為采用高溫超導(dǎo)磁體導(dǎo)體和低溫超導(dǎo)磁體導(dǎo)體加工制造成混合嵌套磁體，解決超導(dǎo)磁體線圈在高背景磁場強度條件下失超的問題。

背景技術(shù)

高背景磁場強度是制約大型超導(dǎo)磁體線圈發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。隨著大型超導(dǎo)磁體裝置如磁約束聚變裝置和高能物理裝置的發(fā)展，在有限的裝配空間內(nèi)實現(xiàn)提供高磁場強度的超導(dǎo)磁體線圈，對其運行時臨界場強限制條件帶來很大的挑戰(zhàn)。目前的Nb₃Sn超導(dǎo)磁體在5K的溫度條件下，其實際運行時的背景場強均控制在13T以內(nèi)。而超導(dǎo)磁體線圈能夠提供的最大磁場強度恰恰直接影響大型超導(dǎo)磁體裝置的性能參數(shù)。因此，如何解決超導(dǎo)磁體在有限尺寸和較高的磁場強度條件下穩(wěn)定運行，成為了影響未來超導(dǎo)工程發(fā)展的主要問題。

第一代和第二代高溫超導(dǎo)帶材的性能目前研究的較為成熟，其主要以銀包套作為基體材料或者涂層材料為基礎(chǔ)。相對于低溫超導(dǎo)磁體，高溫超導(dǎo)磁體不僅可以獲得很高的實際工程電流密度（如Bi_?2212帶材的臨界電流密度Jc（4.2k，20T）約為500-600A/?mm²），同時具有很高的臨界場強（目前的高溫超導(dǎo)磁體的臨界場強可以普遍達到15T以上）。其次，高溫超導(dǎo)磁體的優(yōu)點在于從10T-20T，其臨界電流密度Jc幾乎不變。因此，在高磁場的環(huán)境中運行，高溫超導(dǎo)磁體相對于低溫超導(dǎo)體材料在性能方面具有很大的優(yōu)勢。但是，高溫超導(dǎo)材料的成本相對于低溫超導(dǎo)材料要高出很多。因此，如何控制超導(dǎo)磁體的加工成本同樣成為需要解決的問題。

用于實現(xiàn)高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，主要是嵌套式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部采用高溫超導(dǎo)磁體，外部采用低溫超導(dǎo)磁體，可以有效保證磁體線圈在高背景場下穩(wěn)定運行。同時采用混合磁體線圈的外部采用低溫超導(dǎo)磁體可以有效降低磁體線圈的加工制造成本。根據(jù)實際的超導(dǎo)磁體線圈的設(shè)計參數(shù)要求，進行內(nèi)部高溫超導(dǎo)磁體和外部低溫超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)尺寸分配，在保證混合磁體線圈最高場強設(shè)計要求的前提下，考慮外部低溫超導(dǎo)磁體線圈上的最高磁場強度，以避免外部低溫超導(dǎo)磁體線圈的最高場強超過其臨界場強。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出了一種用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，其能夠在滿足在有限的磁體線圈尺寸的的情況下，提供超過目前低溫超導(dǎo)磁體最大臨界場強（按照Nb₃Sn導(dǎo)體在4.5K條件下13T為標(biāo)準(zhǔn)）的磁場強度，并能保證磁體線圈的穩(wěn)定運行，同時外部采用低溫超導(dǎo)磁體的設(shè)計思路可以有效降低高溫超導(dǎo)磁體導(dǎo)體的用量，以降低實際工程加工成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于：包括有內(nèi)部高溫超導(dǎo)磁體組件、外部低溫超導(dǎo)組件，所述的內(nèi)部高溫超導(dǎo)組件包括有對地絕緣殼體，對地絕緣殼體中設(shè)有多組獨立單元結(jié)構(gòu)，每組獨立單元結(jié)構(gòu)包括有基體結(jié)構(gòu)一，基體結(jié)構(gòu)一中部插入帶有冷卻槽的冷卻板，基體結(jié)構(gòu)一上位于冷卻板的兩側(cè)分別鑲嵌有一組高溫超導(dǎo)導(dǎo)體，冷卻板緊貼高溫超導(dǎo)導(dǎo)體并為高溫超導(dǎo)導(dǎo)體熱傳導(dǎo)散熱，對地絕緣殼體的側(cè)壁上設(shè)有若干與各冷卻池連通的低溫冷卻氣體進氣口；所述的外部低溫超導(dǎo)組件包括有基體結(jié)構(gòu)二，基體結(jié)構(gòu)二上鑲嵌有多組低溫超導(dǎo)導(dǎo)體，低溫超導(dǎo)導(dǎo)體上設(shè)有中心氦氣冷卻孔，各組低溫超導(dǎo)導(dǎo)體間設(shè)有層間絕緣體；

所述的內(nèi)部高溫超導(dǎo)磁體組件和外部低溫超導(dǎo)組件分別獨立加工成型后再嵌套焊接成為一個整體結(jié)構(gòu)。

所述的用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于：所述的基體結(jié)構(gòu)一采用G10材料。

所述的用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于：所述的基體結(jié)構(gòu)一的兩側(cè)設(shè)有螺栓孔。

所述的用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于：所述的各組高溫超導(dǎo)導(dǎo)體和冷卻板獨立加工成獨立單元結(jié)構(gòu)后，各獨立單元結(jié)構(gòu)通過兩側(cè)多組貫穿螺栓孔的螺栓裝配成型。

所述的用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于：所述的基體結(jié)構(gòu)二采用不銹鋼。

所述的用于高背景場的低溫和高溫超導(dǎo)混合磁體，其特征在于：所述的低溫超導(dǎo)導(dǎo)體采用傳統(tǒng)的CICC導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際運行時低溫超導(dǎo)導(dǎo)體部分的最大磁場強度選擇使用NbTi或者Nb₃Sn。

本發(fā)明的有益效果在于：