[發明專利]一種高熱導鈮三錫超導線圈及其制作方法

在審

• 申請號: 202210082267.4
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114300213A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 孫萬碩;王秋良;程軍勝;戴銀明;胡新寧;陳順中;王暉;劉建華
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01F6/06
• 分類號: H01F6/06;H01F6/04;H01F41/04;H01F41/098;H01F41/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明提供一種高熱導鈮三錫超導線圈及其制作方法。所述高熱導鈮三錫超導線圈包括不銹鋼骨架(1)、絕緣層(2)、鈮三錫超導線圈(3)、氮化鋁(4)、氯化鈉(5)，中心支撐(6)。本發明中采用高熱導鈮三錫超導線圈，利用不銹鋼本身的機械支撐結構，結合氮化鋁的高熱導性能，能夠使薄壁不銹鋼骨架提高導冷效果，有效解決鈮三錫線圈的冷卻降溫能力差的問題，提高鈮三錫線圈的制冷效果，從而提高鈮三錫線圈的載流能力，提升鈮三錫超導線圈的性能。同時，為解決薄壁不銹鋼高溫易變形的問題，將不銹鋼骨架和中心耐熱鋼支撐間隙填充氯化鈉，有效阻止不銹鋼高溫下的徑向收縮并在回溫后只需用水溶解便可去除氯化鈉，方便抽出中心耐熱鋼支撐。

技術領域

本發明屬于超導材料領域，具體涉及一種高熱導鈮三錫超導線圈及其制作方法。

背景技術

鈮三錫和鈮鈦超導材料是低溫超導材料的代表，相比鈮鈦超導材料，鈮三錫超導材料具有更高的超導臨界轉變溫度，達到18K以上，具有更高的上臨界磁場，在4.2K時上臨界磁場可達25T。利用鈮三錫超導材料的高臨界轉變溫度和高臨界磁場，制備成鈮三錫超導線圈，能夠產生更高的磁場，是目前產生低溫強磁場的最理想的超導材料之一。

鈮三錫具有A15陶瓷相的晶體結構，成型后的鈮三錫線具有非常差的機械性能，外界小的機械干擾就可能破壞鈮三錫相的超導性能，對整個鈮三錫線圈造成破壞，這個過程一般是不可逆的。因此，鈮三錫超導線圈的制備工藝一般是通過先繞制后熱處理的方式進行制造的，首先將熱處理前具有一定機械延展性鈮錫導線在一個骨架上繞制成最終的線圈形狀，然后將鈮三錫線圈和骨架一同進行高溫熱處理，使鈮錫導線進行高溫擴散反應，生成鈮三錫超導相，制備成鈮三錫超導線圈。

由于鈮三錫線圈在繞制過程中需要加載一定的預緊力，來保證鈮錫導線緊密排列在骨架上，從而提高線圈的安匝數，提高線圈的通電電流，從而提高線圈產生磁場的能力。繞制過程中的預緊力在線圈的熱處理過程中逐漸釋放，鈮三錫線圈的熱處理溫度在600℃到700℃，這個溫度下的不銹鋼骨架會出現軟化現象，從而使回溫后的鈮三錫超導線圈骨架內孔的圓柱度改變，并使鈮三錫超導線圈骨架的內徑變小。這使鈮三錫超導線圈的形狀也發生改變，產生的中心磁場的場強和場形也會變化，這對高均勻度線圈是非常不利的，并且這個過程是很難修補的。在后期線圈裝配中，線圈內孔的變化會給中心孔內套裝的防輻射屏造成裝配誤差，對高圓柱度的防輻射屏造成大的影響。

鈮三錫線圈的載流能力與線圈的溫度有強相關性，線圈的溫度首先要下降到鈮三錫材料的超導臨界溫度以下才具有超導性能，當溫度越低，溫度裕度越大，線圈的載流能力越大，產生磁場越高。因此，在鈮三錫超導線圈的制造過程中，對線圈必須進行充分的制冷，特別是目前越來越普通的傳導冷超導磁體，采用制冷機對超導線圈進行制冷，必須充分考慮超導線圈的冷卻裕度，對超導線圈進行充分的制冷。

因此，在線圈制造過程中保證線圈的形狀和充分冷卻，使得線圈的制造過程與設計一致，對鈮三錫線圈的成功制造是至關重要的。鈮三錫線圈的骨架一般是采用不銹鋼金屬材料，不銹鋼的熱導率較低，相比鈮鈦線圈可以采用高熱導率的鋁合金，不銹鋼骨架對鈮三錫線圈的冷卻降溫能力較差。同時為了提高有限空間的電流密度，不銹鋼骨架的壁厚一般較薄。因此，這種薄壁不銹鋼骨架在鈮三錫線圈制造過程中會由于高溫熱處理帶來變形問題。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的采用不銹鋼骨架繞制的鈮三錫超導線圈由于不銹鋼材料的低熱導率對鈮三錫線圈造成的冷卻效果差的問題，以及不銹鋼骨架在長時間高溫熱處理時發生的變形問題，從而提出一種高熱導鈮三錫超導線圈。

本發明的目的是通過下述技術方案而實現的：