本發(fā)明屬于超導(dǎo)磁體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于ReBCO涂層超導(dǎo)片的超導(dǎo)磁體。

背景技術(shù)：

超導(dǎo)磁體在超導(dǎo)領(lǐng)域占有重要地位，在需要強(qiáng)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(dǎo)磁體常常是最佳選擇。與普通磁體相比，超導(dǎo)磁體具有磁場強(qiáng)度高、功耗低、體積小和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

隨著ReBCO(稀土系鋇銅氧，Re為Y、Sm或Nd)涂層導(dǎo)體制備技術(shù)的不斷發(fā)展，ReBCO涂層導(dǎo)體在實(shí)際中的應(yīng)用更為廣泛。ReBCO涂層導(dǎo)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(jī)械性能優(yōu)越，可以在超導(dǎo)狀態(tài)下無阻傳輸電流。

目前實(shí)用的高溫超導(dǎo)材料大多采用帶狀結(jié)構(gòu)，即超導(dǎo)帶材。制備高溫超導(dǎo)磁體常常需要將超導(dǎo)帶材彎曲、扭轉(zhuǎn)來繞制成雙餅式或螺管式結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)帶材的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形受其機(jī)械性能的限制，對(duì)彎曲半徑有一定的要求；超導(dǎo)帶材的變形對(duì)其通流能力也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

超導(dǎo)磁體一般采用處于常溫的電源來勵(lì)磁，用電流引線連接電源和超導(dǎo)體。在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中，電流引線兩端分別處于低溫和室溫環(huán)境，其漏熱常常是超導(dǎo)低溫容器的主要熱源；同時(shí)電流引線電阻以及電流引線和超導(dǎo)線之間的焊接電阻，在通電時(shí)還會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，提高冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行成本。以及高溫超導(dǎo)體的n值較小，磁場衰減較為明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種基于ReBCO涂層超導(dǎo)片的超導(dǎo)磁體。

該超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)片和絕緣片均為圓環(huán)片狀結(jié)構(gòu)，且兩者的內(nèi)徑和外徑均相同；N+1片絕緣片和N片超導(dǎo)片交替布置形成超導(dǎo)磁體，N為正整數(shù)；

所有超導(dǎo)片的堆疊方向一致；

在超導(dǎo)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(dǎo)片是在襯底上依次制備緩沖層、ReBCO涂層、保護(hù)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(hù)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(jī)絕緣薄片。

將一個(gè)超導(dǎo)磁體置入另一個(gè)超導(dǎo)磁體的中心圓孔內(nèi)，得到組合嵌套式超導(dǎo)磁體，以提供強(qiáng)磁場。

一種基于ReBCO涂層超導(dǎo)片的超導(dǎo)磁體的應(yīng)用：

將超導(dǎo)磁體置于裝有液氮的杜瓦容器中，杜瓦容器與制冷系統(tǒng)相連，進(jìn)行調(diào)節(jié)超導(dǎo)磁體的溫度；

將空心螺管線圈同心同軸地置入超導(dǎo)磁體的中心圓孔內(nèi)，向空心螺管線圈通入交變電流，交變電流上升沿時(shí)間不等于下降沿時(shí)間，在超導(dǎo)片中感應(yīng)出凈超導(dǎo)電流，通過周期性地泵入交變電流，使超導(dǎo)磁體的感應(yīng)電流不斷增大至期望值，此時(shí)切斷交變電流，超導(dǎo)磁體的電流保持恒定，維持一個(gè)穩(wěn)定的磁場；當(dāng)超導(dǎo)磁體的電流衰減時(shí)，重新接通交變電流進(jìn)行補(bǔ)償；其中，所述空心螺管線圈的外徑小于超導(dǎo)片和絕緣片的內(nèi)徑，軸向長度大于超導(dǎo)磁體的軸向長度。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提出一種新型超導(dǎo)磁體，由超導(dǎo)片和絕緣片交互堆疊構(gòu)成，省去了彎曲和繞制環(huán)節(jié)，制造方便，結(jié)構(gòu)簡單，無彎曲半徑限制；超導(dǎo)片是平面結(jié)構(gòu)，在形成超導(dǎo)磁體的過程中只是簡單堆疊，無需變形，對(duì)超導(dǎo)材料的通流能力影響很小。通過調(diào)整超導(dǎo)磁體的內(nèi)外半徑的大小，可以得到不同尺寸的超導(dǎo)磁體。在需要更強(qiáng)磁場的場合，可以將外半徑略小于內(nèi)半徑的超導(dǎo)磁體進(jìn)行組合嵌套，來得到所需要的磁場。

本發(fā)明采用磁通泵技術(shù)給超導(dǎo)磁體供電，通過電磁感應(yīng)的方法在超導(dǎo)磁體內(nèi)感應(yīng)出電流，無需電流引線和焊接，既使得超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)緊湊，又降低了超導(dǎo)磁體的熱損耗。采用磁通泵技術(shù)，還便于在超導(dǎo)磁體的磁場衰減時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。

本發(fā)明通過結(jié)合高溫超導(dǎo)ReBCO涂層導(dǎo)體、低溫液氮冷卻和磁通泵的優(yōu)點(diǎn)，將三者的模型應(yīng)用到超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)中，超導(dǎo)磁體具有功耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便的優(yōu)點(diǎn)，為高磁場強(qiáng)度的制備提供了新思路。

附圖說明

圖1為超導(dǎo)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(dǎo)片的主視圖；d-2為超導(dǎo)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(dǎo)片的超導(dǎo)磁體的示意圖。

圖4中a為采用磁通泵技術(shù)為一種基于ReBCO涂層超導(dǎo)片的超導(dǎo)磁體勵(lì)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(biāo)號(hào)說明：1-襯底，2-緩沖層，3-ReBCO涂層，4-保護(hù)層，5-超導(dǎo)片，6-絕緣片，7-法蘭，8-法蘭定位孔，9-絕緣拉桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

首先制備超導(dǎo)片5和絕緣片6，如下：

基于ReBCO涂層的超導(dǎo)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(nèi)半徑為r2、外半徑為r1的圓環(huán)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(shù)(IBAD)、傾斜基底沉積技術(shù)(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脈沖激光沉積法(PLD)或?yàn)R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(jī)化學(xué)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(hù)層4，得到內(nèi)半徑為r2、外半徑為r1的圓環(huán)片狀的超導(dǎo)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(jī)絕緣薄膜或牛皮紙；有機(jī)絕緣薄膜可以為環(huán)氧薄片。如圖2所示，將絕緣片6加工成內(nèi)半徑為r2、外半徑為r1的圓環(huán)片狀結(jié)構(gòu)。

然后將冷卻片5和絕緣片6交替布置形成超導(dǎo)磁體，保證超導(dǎo)磁體中，各圓環(huán)結(jié)構(gòu)上下對(duì)齊；以及所有超導(dǎo)片6的堆疊方向一致，即超導(dǎo)片6有ReBCO涂層3的一面均朝上或均朝下。以下通過一個(gè)具體實(shí)施流程進(jìn)行說明：

(1)放置好第一片絕緣片6，將第一片超導(dǎo)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(dǎo)片5上面，將第二片超導(dǎo)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(dǎo)片5上面，將第三片超導(dǎo)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(jìn)行多層絕緣片6與超導(dǎo)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(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體。堆疊時(shí)，保證各圓環(huán)上下對(duì)齊。

(2)堆疊完畢后，上下加法蘭7固定，法蘭7的內(nèi)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(qū)域均勻開三個(gè)半徑為r3的法蘭定位孔8。上下法蘭7的中心孔與超導(dǎo)片5和絕緣片6對(duì)齊，且上下法蘭定位孔8上下對(duì)準(zhǔn)。三根絕緣拉桿9的上下兩端分別穿過上下對(duì)應(yīng)的法蘭定位孔8，并通過螺栓固定，將多層超導(dǎo)片7和絕緣片6堆疊結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)磁體夾緊固定。

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

超導(dǎo)磁體需要從室溫降至超導(dǎo)溫度以下并維持，才能其保證正常運(yùn)行。超導(dǎo)磁體的冷卻方式一般有三種：浸泡冷卻、迫流冷卻、熱傳導(dǎo)冷卻。浸泡冷卻是一種直接的、最簡便的冷卻方式，將超導(dǎo)磁體直接浸泡在冷卻介質(zhì)中。浸泡冷卻方式，結(jié)構(gòu)簡單，溫度穩(wěn)定性好，并且超導(dǎo)磁體不受機(jī)械振動(dòng)影響。采用液氮作為冷卻介質(zhì)，可以降低冷卻成本。液氮可以裝在杜瓦容器中使用，為進(jìn)一步減少外壁的輻射熱和傳導(dǎo)熱，可以在杜瓦容器外形成噴鋁薄膜，且內(nèi)外壁間抽真空。液氮通過導(dǎo)管輸入，蒸發(fā)的氣體經(jīng)回氣口逸出。杜瓦容器與低溫制冷系統(tǒng)相連，調(diào)節(jié)低溫環(huán)境，防止超導(dǎo)磁體失超，還可以實(shí)現(xiàn)液氮循環(huán)使用。

本發(fā)明采用磁通泵技術(shù)向超導(dǎo)磁體供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)磁體的勵(lì)磁。如圖4a所示，將空心螺管線圈同心同軸地置入超導(dǎo)磁體的中心圓孔內(nèi)，所述空心螺管線圈的外半徑略小于超導(dǎo)片5和絕緣片6的內(nèi)半徑r2，軸向長度大于超導(dǎo)磁體的軸向長度。空心螺管線圈相當(dāng)于變壓器原邊繞組，超導(dǎo)磁體中的超導(dǎo)片5相當(dāng)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(yīng)使超導(dǎo)片5感應(yīng)出電流進(jìn)而產(chǎn)生磁場。交變電流i1的上升沿時(shí)間小于下降沿時(shí)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(gè)超導(dǎo)片5流過大小相等、逆時(shí)針方向的感應(yīng)電流；在交變電流i1下降過程中(圖4b中AB段)，各個(gè)超導(dǎo)片5流過大小相等、順時(shí)針方向的感應(yīng)電流。雖然交變電流i1下降過程中產(chǎn)生的磁通相反，但不足以抵消交變電流i1上升過程中產(chǎn)生的磁通量，從而在超導(dǎo)片7中感應(yīng)出逆時(shí)針方向的凈超導(dǎo)電流i2。通過周期性地泵入交變電流i1，使超導(dǎo)磁體的電流不斷增大至期望值，此時(shí)切斷交變電流i1，超導(dǎo)片5的電流保持恒定，維持一個(gè)穩(wěn)定的磁場。當(dāng)超導(dǎo)片的電流衰減時(shí)，重新接通交變電流i1進(jìn)行補(bǔ)償。

當(dāng)需要更強(qiáng)的磁場時(shí)，可以采用兩個(gè)超導(dǎo)磁體組合嵌套，即，一個(gè)超導(dǎo)磁體的外半徑為r4，內(nèi)半徑為r5，外半徑r4略小于上述超導(dǎo)磁體的內(nèi)半徑r2，將外半徑較小的超導(dǎo)磁體同心同軸地置入上述超導(dǎo)磁體內(nèi)，得到組合嵌套式超導(dǎo)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(dǎo)磁體的中心圓孔內(nèi)，采用磁通泵技術(shù)向超導(dǎo)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(yīng)使組合嵌套式超導(dǎo)磁體感應(yīng)出電流進(jìn)而產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。

以上所述，僅為本發(fā)明具體實(shí)施方式的舉例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。