[發明專利]一種多線圈組合的高場超導磁體及其制作方法

在審

• 申請號: 202210082271.0
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114360846A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 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;H01F41/06
• 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

本發明提供一種多線圈組合的高場超導磁體及其制作方法。所述高場超導磁體包括不同超導材料形成的第一超導線圈(4)、第二超導線圈(5)、第三超導線圈(6)，還包括第一超導線圈骨架(1)、第二超導線圈骨架(2)、第三超導線圈骨架(3)、所述高場超導磁體共同的端板(11)、導冷帶(14)、低熔點金屬(16)。通過對各超導線圈之間的間隙填充低熔點金屬，并在各超導線圈骨架上插入導冷帶而形成整體的高場超導磁體。本發明結構簡單，通過低熔點金屬的加入，提高強磁場超導磁體中超導線的排布密度，提高超導線圈總的電流密度，提高中心場強。同時，本發明操作簡單，成本低廉，適用于大批量產業化制造。

技術領域

本發明屬于超導磁體領域，具體涉及一種多線圈組合的高場超導磁體及其制作方法。

背景技術

超導材料是當溫度降低到超導臨界轉變溫度以后，超導材料內部的電阻突然降為零的一種特殊的材料。利用超導材料制備成的超導體在臨界溫度以下能夠承載較大的電流，這是超導體的零電阻和大電流特性。超導磁體是超導材料的非常重要的應用場合之一。超導磁體是首先利用超導材料制備超導線，將超導線繞制成線圈，在線圈上勵磁通電，就會在線圈中間產生磁場。其中，螺線管形超導磁體是最常用的產生強磁場的超導磁體的形式，螺線管超導磁體的中心孔能夠產生軸向磁場，用于需要高磁場的場合，例如材料制備，金屬冶煉和核磁共振等。

目前比較工程化的超導材料可根據臨界溫度的高低分為低溫超導材料和高溫超導材料。低溫超導材料的代表是鈮鈦和鈮三錫超導材料。鈮鈦和鈮三錫超導材料的主要區別是臨界點的不同，包括不同的臨界轉變溫度和臨界場。其中，鈮鈦超導材料的臨界溫度為8K-10K，而鈮三錫超導材料的臨界溫度為18K以上。鈮鈦超導材料在液氦溫區的臨界磁場約為11T，而鈮三錫超導材料在液氦溫區的的臨界溫度為25T以上。高溫超導材料的代表為Bi系材料和REBCO系材料等。高溫超導材料的臨界溫度和臨界場比低溫超導材料要高，在液氮溫區就顯示出了超導體的性質。其中，YBCO高溫超導材料的臨界轉變溫度大于90K，而Bi系超導材料的臨界轉變溫度約為110K。Bi系材料和REBCO系材料在液氦溫區的臨界磁場要比低溫超導材料高很多。

根據不同超導材料的臨界溫度和臨界場的區別，高場超導磁體一般是由多種超導材料組成的超導線圈的內插組合，將不同超導材料繞制的超導線圈組成同心圓，低磁場區域布置臨界場較低的低溫超導線圈，包括鈮鈦超導線圈和鈮三錫超導線圈。高磁場低磁場區域布置臨界場較高的高溫超導線圈，如YBCO超導線圈。通過這種組合配置方式，不同區域的超導線圈都將對中心磁場有做大的貢獻，因此能夠產生最高的中心磁場。

其中，每種超導材料繞制成的超導線圈是將超導線繞制在圓柱形骨架上面，超導線圈繞制完成后，在超導線圈的最外層繞制綁扎層。其中，綁扎層是對超導線圈勵磁通電時，能夠有效地降低超導線圈內部的環向應力，增大超導線圈的安全裕度，降低超導線圈失超的風險。為了盡可能提高中心場，需要在超導線圈的設計上增大電流密度，在有限的空間上繞制更多的超導線。因此，用于繞制超導線圈的骨架一般具有薄壁結構，以此來減少超導線圈骨架所占的空間。超導線圈的骨架同時起到支撐超導線圈和導冷的目的，壁厚太小的超導線圈骨架不能起到良好的導冷效果，因此，超導線圈骨架的設計是兼顧超導線圈支撐和導冷的目的。超導線圈的性能與超導線圈的工作溫度有密切關系，工作溫度越低，溫度裕度越大，超導線圈的通電載流能力越大，能夠產生的磁場越大。因此，需要對超導線圈的骨架進行優化設計，爭取達到最優的導冷效果，從而產生最高的磁場。

超導線圈外層綁扎層的設計，需要在滿足徑向綁扎力的同時，盡量減小綁扎層的厚度，來增大超導線圈的厚度，因此增大超導線圈的電流密度。每個超導線圈繞制完成后，需要將多個超導線圈嵌套組合，組成一套同軸的多超導線圈組成的超導磁體組合。因此，為滿足超導磁體的安裝需要，超導線圈的尺寸上需要留出裝配間隙，保證小尺寸的超導線圈成功插入大尺寸的超導線圈的中心孔內。

高場超導磁體的設計需要在滿足骨架厚度，綁扎層厚度以及裝配間隙等的要求，而高場超導磁體的空間利用率是非常重要的，在如此高的磁場下，提高空間率對于提高中心磁場是不容忽視的。

發明內容