專利名稱：內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，特別涉及一種用于產(chǎn)生極高磁場(chǎng)的內(nèi)插 YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體主要應(yīng)用于工業(yè)和科學(xué)儀器等方面。通常使用NbTi和Nb3Sn材料組合的 超導(dǎo)磁體系統(tǒng)可以產(chǎn)生高磁場(chǎng)，當(dāng)溫度為4K時(shí)最高磁場(chǎng)可以達(dá)到18 T，降低線圈的運(yùn)行溫 度到2.2K時(shí)，磁體中心磁場(chǎng)達(dá)到21T。近年來(lái)，由于高電流密度的Nb3Sn超導(dǎo)線材的研制 成功，當(dāng)線圈的運(yùn)行溫度1.8K時(shí)，超導(dǎo)磁體可以提供的最大磁場(chǎng)達(dá)到22.3T。使用高溫超 導(dǎo)線圈作為內(nèi)插線圈，例如，Bi2223和Bi2212帶材制成內(nèi)插線圈，可提供的最大磁場(chǎng)達(dá)到 25T，使用YBC0 (釔鋇銅氧化物)高溫超導(dǎo)涂層制成的內(nèi)插線圈可使超導(dǎo)磁體的最大磁場(chǎng)達(dá) 到26.8T。上述線圈結(jié)構(gòu)由于使用帶材繞制，需通過(guò)電流引線和電源連接，因而有低溫?zé)嶝?fù) 荷較大、磁場(chǎng)的穩(wěn)定度較差。為了提高NbTi和Nb3Sn組合形成的超導(dǎo)線圈的中心磁場(chǎng)，需要 發(fā)展具有較高磁場(chǎng)穩(wěn)定度的內(nèi)插高溫超導(dǎo)線圈，以提高超導(dǎo)磁體的中心磁場(chǎng)可達(dá)到25T。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有內(nèi)插高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體低溫?zé)嶝?fù)荷較大，磁場(chǎng)的穩(wěn) 定度較差的不足，本發(fā)明提出一種內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，該系 統(tǒng)不僅磁場(chǎng)高，而且低溫?zé)嶝?fù)荷小，磁場(chǎng)穩(wěn)定。
本發(fā)明提出一種新型的內(nèi)插高溫超導(dǎo)線圈，用YBCO高溫超導(dǎo)塊制成YBCO環(huán)狀片，多片 YBCO環(huán)狀片疊加形成內(nèi)插高溫超導(dǎo)線圈，在外磁場(chǎng)磁化條件下形成較高的俘獲磁場(chǎng)。由于線 圈是由多片YBCO環(huán)狀片疊加組合而成，其結(jié)構(gòu)與Bitter電阻磁體具有相同的結(jié)構(gòu)，因此稱 為內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈。這種線圈是通過(guò)磁化具有較高上臨界磁場(chǎng)的YBC0超 導(dǎo)塊俘獲磁通，因此不需要電流引線，可以減小磁體系統(tǒng)的漏熱，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。
本發(fā)明由內(nèi)插YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈、低溫容器、NbTi和Nb3Sn組成的外圍超導(dǎo) 線圈、外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器和外支撐結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈位于 低溫容器中，低溫容器內(nèi)充有液氦，高溫超導(dǎo)線圈周圍由液氦冷卻到4 K運(yùn)行溫度。YBC0 環(huán)狀片嵌套在不銹鋼環(huán)內(nèi)，每片YBC0環(huán)狀片之間設(shè)置鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片。多片 YBCO環(huán)狀片和多片高純銅環(huán)片沿同一軸向疊加在一起，通過(guò)不銹鋼中心孔管和端部法蘭組裝 在一起，用環(huán)氧樹(shù)脂浸泡后固化成整體，形成剛性很高的螺管形的內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈。該線圈直接插在由NbTi和Nb3Sn組成的外圍超導(dǎo)線圈的內(nèi)孔，形成NbTi、N63Sn 和YBC0三種材料組成的高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，該超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中心磁場(chǎng)可以達(dá)到25T-30T。
本發(fā)明利用YBC0高溫超導(dǎo)體在4 K時(shí)具有較高上臨界磁場(chǎng)和較高的俘獲磁場(chǎng)的特點(diǎn)。 使用YBCO環(huán)狀片疊加，YBCO環(huán)狀片之間放置鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片，改善磁體的傳 熱特性，形成較好的冷卻效果阻止YBC0環(huán)狀片失超，改善磁體運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生所 謂的YBCO-Bitter型線圈結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以簡(jiǎn)化內(nèi)插超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行 的操作程序，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的磁場(chǎng)，并且能夠減小系統(tǒng)運(yùn)行的費(fèi)用。
本發(fā)明為提高YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的俘獲磁場(chǎng)，將YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線 圈運(yùn)行在4K的低溫環(huán)境之中，以提高內(nèi)插超導(dǎo)線圈的運(yùn)行電流密度和磁體抗磁熱干擾的能 力。
本發(fā)明內(nèi)插YBCO"BiUer型高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。其原理是將YBC0高溫超 導(dǎo)塊切成環(huán)片狀結(jié)構(gòu)。為了支撐每一個(gè)環(huán)狀片在磁化后產(chǎn)生的電磁應(yīng)力，在高溫超導(dǎo)YBCO 環(huán)狀片外套上不銹鋼環(huán)，YBC0環(huán)狀片之間放置鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片，使得YBC0 環(huán)狀片之間彼此絕緣，同時(shí)具有良好的傳熱特性。將YBCO環(huán)狀片沿著同一軸向疊加在一起， 通過(guò)不銹鋼中心孔管和端部法蘭將其組裝在一起，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂浸泡并固化形成內(nèi)插 YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈，然后將其插入由NbTi和Nb3Sn組成的外圍超導(dǎo)線圈孔內(nèi)，形 成一種內(nèi)插YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。當(dāng)溫度冷卻到磁體的運(yùn)行溫度時(shí)， 首先給外圍超導(dǎo)線圈通電，當(dāng)中心磁場(chǎng)達(dá)到需要求時(shí)，內(nèi)插YBCO-Bitter型超導(dǎo)線圈被磁化， 去掉外磁場(chǎng)之后，會(huì)在內(nèi)插YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈內(nèi)形成較高的俘獲磁場(chǎng)。當(dāng)再次將 外圍超導(dǎo)線圈充電之后，由外磁場(chǎng)和內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的俘獲磁場(chǎng)疊加， 形成超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的總的磁場(chǎng)。高溫超導(dǎo)材料YBCO的上臨界磁場(chǎng)在絕對(duì)零度下為112T，在 30T、 4K條件下YBCO的臨界電流密度為105~106 A/cm2。因此，采用上述結(jié)構(gòu)可以獲得較高 和穩(wěn)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。


圖l是本發(fā)明的內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1 YBCO環(huán)狀片， 2鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片，3不銹鋼中心孔管，4端部法蘭；
圖2是本發(fā)明的YBC0環(huán)狀片嵌套在不銹鋼環(huán)內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中6不銹鋼環(huán)；
圖3是本發(fā)明內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)工作原理圖，圖中8內(nèi) 插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈，9低溫容器，10外圍超導(dǎo)線圈，11外圍超導(dǎo)線圈的低溫 容器，12液氦，13外支撐結(jié)構(gòu)；
圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中8內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈，15 Nb3Sn超導(dǎo)線圈，16NbTi超導(dǎo)線圈。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明由內(nèi)插YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈8、低溫容器9、 NbTi和Nb3Sn組成的外圍 超導(dǎo)線圈IO、外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器11和外支撐結(jié)構(gòu)13組成。 .
如圖1所示，將多片YBC0環(huán)狀片1組合在一起。為解決超導(dǎo)環(huán)片之間的傳熱特性以及 改善磁體的熱穩(wěn)定性，在YBC0環(huán)狀片之間放置鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片2。 YBC0環(huán)狀 片1厚度為4mm，鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片2厚度為l咖。YBC0環(huán)狀片1和鍍有氮化鋁 薄膜的高純銅環(huán)片2沿同一軸向交替疊加組合在一起，通過(guò)不銹鋼中心孔管3進(jìn)行徑向固定， 在軸向的兩端使用端部法蘭4加固，整體通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂浸泡并固化后形成內(nèi)插YBCO-Bitter 型高溫超導(dǎo)線圈。圖1中表示了內(nèi)插YBCO"Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的主要部分。當(dāng)YBCO環(huán) 狀片1被冷卻到4K之后，其俘獲磁場(chǎng)可以達(dá)到IOO T，臨界電流密度達(dá)到l(fA/cm2。
如圖2所示，由于YBCO環(huán)狀片l采用陶瓷材料制成的，其機(jī)械強(qiáng)度較低。在外界磁場(chǎng) 的作用下，YBC0環(huán)狀片1被磁化。由于電磁力的作用，YBCO環(huán)狀片1在電磁力的作用下產(chǎn) 生徑向和軸向以及環(huán)向應(yīng)力的作用，為了克服因較高的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力的作用，將YBCO 環(huán)狀片1嵌套在不銹鋼環(huán)6內(nèi)。
如圖3所示，內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈8放置低溫容器9內(nèi)，通過(guò)低溫容器9 內(nèi)的液氦12將磁體冷卻到4K，保證YBCO環(huán)狀片具有較高的俘獲磁場(chǎng)和臨界電流密度，從而 保證YBCO環(huán)狀片在高磁場(chǎng)中穩(wěn)定運(yùn)行。將內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈8插在NbTi和 Nb3Sn組成的外圍超導(dǎo)線圈10的內(nèi)孔中，外圍超導(dǎo)線圈10放置在外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器 11中，外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器11內(nèi)充有液氦12。通過(guò)外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器11保證 磁體運(yùn)行在1.8K的極低溫度下。整個(gè)系統(tǒng)由外支持結(jié)構(gòu)13支撐，從而產(chǎn)生20T的高磁場(chǎng)。
圖4是基于本發(fā)明設(shè)計(jì)的25T高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。磁體系統(tǒng)由內(nèi)插 YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈8和Nb3Sn超導(dǎo)線圈15，以及NbTi超導(dǎo)線圈16組成。為了獲 得穩(wěn)定的中心磁場(chǎng)，首先通過(guò)Nb3Sn超導(dǎo)線圈15和NbTi超導(dǎo)線圈16使磁體系統(tǒng)磁場(chǎng)升高 到5 T,再將外磁場(chǎng)去掉，會(huì)在內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈8內(nèi)形成5 T的俘獲磁場(chǎng)。 當(dāng)再次通過(guò)Nb3Sn超導(dǎo)線圈15和NbTi超導(dǎo)線圈16使磁體系統(tǒng)產(chǎn)生20 T的磁場(chǎng)，產(chǎn)生的20 T的磁場(chǎng)和第一次在內(nèi)插YBC0-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈8內(nèi)俘獲的5 T的磁場(chǎng)疊加在一起， 此時(shí)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生25T的總磁場(chǎng)。
權(quán)利要求
1、一種內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，包括低溫容器(9)、由NbTi和Nb3Sn組成的外圍超導(dǎo)線圈(10)、外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器(11)和外支撐結(jié)構(gòu)(13)，外圍超導(dǎo)線圈(10)放置在外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器(11)中，外圍超導(dǎo)線圈的低溫容器(11)內(nèi)充有液氦(12)，其特征在于所述的磁體系統(tǒng)還包括內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈(8)；內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈(8)插入由NbTi和Nb3Sn組成的外圍超導(dǎo)線圈(10)的內(nèi)孔中，內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈(8)位于低溫容器(9)中，低溫容器(9)內(nèi)充有液氦(12)。
2、 按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫線圈，其特征在于所述內(nèi)插 YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈(8)由多片YBCO環(huán)狀片(1)疊加組成，每片YBCO環(huán)狀片(1) 之間設(shè)置鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片(2);多片YBCO環(huán)狀片(1)和多片高純銅環(huán)片(2) 沿同一軸向疊加在一起，通過(guò)由不銹鋼中心孔管(3)和端部法蘭(4)組裝在一起，經(jīng)環(huán)氧 樹(shù)脂浸泡后固化成整體。
3、 按照權(quán)利要求2所述的內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫線圈，其特征在于所述的每片YBCO 環(huán)狀片(1)嵌套在不銹鋼環(huán)(6)內(nèi)。
全文摘要
一種內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫線圈的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈(8)插入由NbTi和Nb3Sn組成的外圍超導(dǎo)線圈(10)的內(nèi)孔中。內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈(8)位于低溫容器(9)中，外圍超導(dǎo)線圈(10)放置在低溫容器(11)中，低溫容器(9、11)內(nèi)充有液氦(12)。內(nèi)插YBCO-Bitter型高溫超導(dǎo)線圈(8)由多片YBCO環(huán)狀片(1)疊加組成，YBCO環(huán)狀片(1)嵌套在不銹鋼環(huán)(6)內(nèi)。每片YBCO環(huán)狀片(1)之間設(shè)置鍍有氮化鋁薄膜的高純銅環(huán)片(2)。多片YBCO環(huán)狀片(1)和多片高純銅環(huán)片(2)沿同一軸向疊加在一起，通過(guò)不銹鋼中心孔管(3)和端部法蘭(4)組裝在一起，經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂浸泡后固化成整體。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，系統(tǒng)漏熱小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01F41/02GK101577165SQ200910080590
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者嚴(yán)陸光, 戴銀明, 王秋良, 胡新寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所