一種用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)開關(guān)，特別涉及一種用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的熱控式超導(dǎo)開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁體技術(shù)在高能物理、生物醫(yī)學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及醫(yī)學(xué)診斷和科學(xué)研宄等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的冷卻主要有液氦浸泡冷卻和制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻兩種方式。液氦浸泡冷卻的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，但是這種方式受到國際氦資源限產(chǎn)及限運(yùn)等客觀因素的嚴(yán)重制約，我國就曾一度出現(xiàn)無液氦可用的情況，而且液氦冷卻系統(tǒng)需要專業(yè)的運(yùn)輸和輸液操作，增加了系統(tǒng)應(yīng)用的復(fù)雜性和運(yùn)行成本。采用低溫制冷機(jī)代替液氦作為冷源，通過傳導(dǎo)冷卻方式將超導(dǎo)線圈溫度降至運(yùn)行溫度以下，無需液氦運(yùn)輸及輸液操作，同時，由于系統(tǒng)只消耗電能，大幅降低了運(yùn)行成本?；谝陨蟽?yōu)勢，傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體技術(shù)近十來年得到了快速發(fā)展，在很多領(lǐng)域已經(jīng)或正在取代液氦浸泡冷卻磁體。
[0003]與傳統(tǒng)的液氦浸泡磁體一樣，制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的運(yùn)行也有兩種基本模式，即電源供電模式和閉環(huán)運(yùn)行模式。在電源供電模式中，超導(dǎo)磁體的供電電源是低壓大電流的穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源，為保證超導(dǎo)磁體穩(wěn)定地工作，一般要求電源的紋波比要小，可以緩慢而均勻地調(diào)節(jié)，尤其是不應(yīng)有明顯的抖動，這種模式適用于運(yùn)行時間較短，對磁場穩(wěn)定度要求不高，勵磁和退磁操作較頻繁的工況。閉環(huán)運(yùn)行模式(也叫持續(xù)電流運(yùn)行模式)是在超導(dǎo)磁體的兩端并聯(lián)一個超導(dǎo)開關(guān)，在磁體勵磁結(jié)束后，由超導(dǎo)開關(guān)和超導(dǎo)磁體繞組組成閉環(huán)回路，使磁體在無損耗或磁場衰減很慢的狀態(tài)下運(yùn)行，從而與外部電源脫離，這種模式適用于運(yùn)行時間較長，對磁場穩(wěn)定度要求較高，勵磁和退磁操作較少的工況。與電源供電模式相比，閉環(huán)運(yùn)行模式的超導(dǎo)磁體具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，可以獲得極高穩(wěn)定度的磁場；在持續(xù)電流運(yùn)行期間與外部電源脫離，節(jié)約了電能，降低了運(yùn)行費(fèi)用；還可以降低外界噪聲對超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的影響，提尚磁體運(yùn)彳丁的可靠性等。
[0004]超導(dǎo)開關(guān)是傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行的一個重要部件，具有斷開和導(dǎo)通兩種工作狀態(tài)，分別對應(yīng)于超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)和由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。通常超導(dǎo)開關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變可以通過改變超導(dǎo)材料的溫度或磁場來實(shí)現(xiàn)，分別稱為熱控式和磁控式超導(dǎo)開關(guān)。其中，熱控式超導(dǎo)開關(guān)由于結(jié)構(gòu)相對簡單，應(yīng)用最廣泛。
[0005]不同于傳統(tǒng)的液氦浸泡超導(dǎo)磁體，傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)開關(guān)都是依靠低溫制冷機(jī)冷卻到臨界溫度以下。一方面，在超導(dǎo)開關(guān)斷開，即超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)時，超導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生的熱量要嚴(yán)格控制在允許的范圍內(nèi)，是其溫度在臨界溫度以上的某一合理的區(qū)間，確保超導(dǎo)開關(guān)向超導(dǎo)磁體的漏熱在允許的范圍內(nèi)，不引起超導(dǎo)磁體的失超；另一方面，在超導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，即超導(dǎo)開關(guān)由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)磁體與超導(dǎo)開關(guān)之間的熱連接要好，以確保超導(dǎo)開關(guān)能夠冷卻都臨界溫度以下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。中國專利CN101714864B公開的一種帶溫度閉環(huán)控制的超導(dǎo)開關(guān)本體，由超導(dǎo)線圈和加熱絲線圈隔層繞制在超導(dǎo)開關(guān)骨架上，這種結(jié)構(gòu)在繞制時操作較復(fù)雜，要有副骨架暫存待繞的超導(dǎo)線和加熱絲；另外，每層超導(dǎo)線和加熱絲之間要有良好的熱傳導(dǎo)，在繞制時對環(huán)氧的填充精度要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體用超導(dǎo)開關(guān)繞制復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出一種新的超導(dǎo)開關(guān)。
[0007]本發(fā)明的用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)開關(guān)包括開關(guān)骨架、無感超導(dǎo)線圈、加熱棒、溫度計(jì)和導(dǎo)冷桿，其中開關(guān)骨架是由熱導(dǎo)率較高的金屬材料，如紫銅、鋁合金等制成的兩端帶有法蘭的空心圓筒。無感超導(dǎo)線圈以雙繞方式繞制在開關(guān)骨架上，相鄰兩匝超導(dǎo)線的電流方向相反。無感超導(dǎo)線圈的層數(shù)可以為一層也可以為多層，根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求確定。在開關(guān)骨架上沿中心軸方向均布多個加熱棒安裝孔，兩根或多根加熱棒嵌入該安裝孔內(nèi)。加熱棒通電后產(chǎn)生熱量，用來加熱開關(guān)骨架，而后由導(dǎo)熱良好的開關(guān)骨架將熱量傳導(dǎo)給無感超導(dǎo)線圈，使得無感超導(dǎo)線圈溫度上升到臨界溫度以上，即無感超導(dǎo)線圈由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。加熱棒停止通電后，無感超導(dǎo)線圈慢慢冷卻，溫度逐漸下降到臨界溫度以下，此時無感超導(dǎo)線圈由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。可以根據(jù)需要對稱安裝兩根或多根加熱棒，使開關(guān)骨架受熱均勻。在開關(guān)骨架上沿中心軸方向開有一個溫度計(jì)安裝孔，用來安裝溫度計(jì)，測量無感超導(dǎo)線圈的溫度，用來判斷超導(dǎo)開關(guān)處于超導(dǎo)態(tài)還是正常態(tài)。繞制完成的超導(dǎo)開關(guān)通過導(dǎo)冷桿與超導(dǎo)磁體的骨架相連。導(dǎo)冷桿的作用有兩方面，一方面，當(dāng)加熱棒通電產(chǎn)生熱量使無感超導(dǎo)線圈溫度上升至臨界溫度以上，超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)時，導(dǎo)冷桿應(yīng)是熱的不良導(dǎo)體，以確保超導(dǎo)開關(guān)溫度上升產(chǎn)生的熱量不易被傳導(dǎo)至超導(dǎo)磁體引起失超；另一方面，當(dāng)斷開加熱棒，超導(dǎo)開關(guān)由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時，導(dǎo)冷桿應(yīng)是熱的良導(dǎo)體，確保超導(dǎo)開關(guān)盡快冷卻到超導(dǎo)態(tài)溫度。
[0008]所述的開關(guān)骨架的導(dǎo)冷桿安裝孔安裝在開關(guān)骨架的中心孔內(nèi)，為螺紋結(jié)構(gòu)，與導(dǎo)冷桿上的螺紋緊配合，導(dǎo)冷桿上靠近螺紋的凸臺端面與開關(guān)骨架的下端面緊密貼合，確保開關(guān)骨架和導(dǎo)冷桿之間的良好熱接觸。實(shí)現(xiàn)開關(guān)骨架和導(dǎo)冷桿之間的良好熱接觸。
[0009]所述的無感超導(dǎo)線圈電感幾乎為零，導(dǎo)線與導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與開關(guān)骨架之間的縫隙都用摻雜了高導(dǎo)熱氮化鋁粉的環(huán)氧樹脂填充，使得開關(guān)骨架與無感超導(dǎo)線圈之間的傳熱均勻，同時加固了導(dǎo)線使其不發(fā)生移動。繞制無感超導(dǎo)線圈之前先將開關(guān)骨架的外表面均勻噴涂一層厚度約I ym的聚四氟乙烯薄膜，確保繞制在上面的無感超導(dǎo)線圈對地絕緣良好。
[0010]所述的超導(dǎo)開關(guān)的加熱棒由本體和引線組成；柱形的本體嵌入開關(guān)骨架上的加熱棒安裝孔內(nèi)，安裝孔內(nèi)的縫隙使用摻雜了高導(dǎo)熱氮化鋁粉的環(huán)氧樹脂填充；引線的一端與本體相連，另一端與外部電源相連。加熱棒沿著開關(guān)骨架周向均勻分布。
[0011]所述的超導(dǎo)開關(guān)的加熱棒取代了傳統(tǒng)的加熱絲線圈，無需與無感超導(dǎo)線圈間隔繞制，柱形的加熱棒嵌入開關(guān)骨架上的加熱棒安裝孔內(nèi)，孔內(nèi)的縫隙使用摻雜了高導(dǎo)熱氮化鋁粉的環(huán)氧樹脂填充，使得加熱棒和開關(guān)骨架實(shí)現(xiàn)良好熱接觸。加熱棒沿著開關(guān)骨架周向均勻分布，可以根據(jù)實(shí)際需要確定加熱棒個數(shù)并對稱安裝，使得開關(guān)骨架受熱更均勻。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)開關(guān)的整體外觀示意圖，圖中，I開關(guān)骨架，2無感超導(dǎo)線圈，3加熱棒，4溫度計(jì)，5導(dǎo)冷桿；
[0013]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)開關(guān)的骨架示意圖，圖中，6加熱棒安裝孔，7溫度計(jì)安裝孔；8導(dǎo)冷桿安裝孔；
[0014]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)開關(guān)的無感超導(dǎo)線圈的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，9超導(dǎo)線，10聚四氟乙