超導(dǎo)的線圈裝置和制造方法
【專利說(shuō)明】超導(dǎo)的線圈裝置和制造方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)的線圈裝置，具有由超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體構(gòu)成的線圈繞組，并且 本發(fā)明還涉及一種用于這種線圈裝置的制造方法。
[0002] 為了產(chǎn)生更強(qiáng)的、更均勻的磁場(chǎng)使用超導(dǎo)線圈，它在持續(xù)短路-模式下工作。例如 具有在0. 5T至20T之間的磁通密度的均勻磁場(chǎng)用于核磁共振光譜學(xué)（NMR-光譜學(xué)）和磁 共振成像。這種磁場(chǎng)典型地通過(guò)外部電路來(lái)充電，并且隨后與外部電源相隔離，因?yàn)樵诤铣?的持續(xù)短路-模式內(nèi)通過(guò)超導(dǎo)的線圈進(jìn)行幾乎無(wú)損失的電流通過(guò)。合成的、較強(qiáng)的磁場(chǎng)時(shí) 間上是特別穩(wěn)定的，因?yàn)樗皇芡獠侩娐返脑肼暎≧auschbeitiigen)所影響。
[0003] 在使用已知的繞組技術(shù)中，一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)的電線在支承體上被纏繞，其中， 不同的電線部段通過(guò)具有盡可能小的歐姆電阻的電線連接或者通過(guò)超導(dǎo)連接而相互接 觸。對(duì)于典型的低溫超導(dǎo)體如NbTi和Nb3Sn，具有在23K以下的躍變溫度，為了制造超 導(dǎo)接觸，存在用于聯(lián)接電線部段和用于連接繞組與超導(dǎo)的持續(xù)電流開關(guān)或持續(xù)轉(zhuǎn)換器 (Dauerstromschalter)的技術(shù)。在此，超導(dǎo)的持續(xù)電流開關(guān)是線圈的電路的一部分，并且為 了提供外部電流通過(guò)加熱轉(zhuǎn)換到歐姆傳導(dǎo)狀態(tài)。在關(guān)閉加熱裝置和降低溫度到工作溫度之 后，線圈的這部分重新成為超導(dǎo)性的。
[0004] 高溫超導(dǎo)體或者高T。溫度超導(dǎo)體（HTS)是具有在25K以上的躍變溫度的超導(dǎo)材 料，并且在幾個(gè)材料等級(jí)中，例如銅氧化物超導(dǎo)體，在77K以上，其中，能夠通過(guò)利用其它低 溫材料如液體氦實(shí)現(xiàn)冷卻。HTS材料對(duì)于制造電磁線圈用于NMR光譜學(xué)和磁共振成像是特 別有吸引力的，因?yàn)橐恍┎牧暇哂懈哂?0T的上限的磁場(chǎng)。通過(guò)較高的上限的磁場(chǎng)，HTS材 料原則上比低溫超導(dǎo)體更適合用于產(chǎn)生高于例如10T的磁場(chǎng)。
[0005] 在制造HTS電磁線圈時(shí)，存在這樣一個(gè)問(wèn)題，缺少合適的用于制造超導(dǎo)的HTS連 接的技術(shù)，尤其對(duì)于第二代、所謂的2G-HTS。2G-HTS-電線典型地設(shè)為平坦的帶狀導(dǎo)體的 形狀。當(dāng)在超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體之間加入歐姆接觸時(shí)，在線圈內(nèi)的損失不能夠再被忽略，并且 產(chǎn)生的磁場(chǎng)在幾小時(shí)或者幾天的時(shí)間內(nèi)就會(huì)顯而易見(jiàn)地下降（參見(jiàn)"IEEETransactions onAppliedSuperconductivity"，Vol. 12，No. 1，March2002，476 至 479 頁(yè)，和"IEEE TransactionsonAppliedSuperconductivity"，Vol. 18，No. 2，June2008，953至956 頁(yè)）。
[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種超導(dǎo)的線圈裝置，它可避免所述的缺點(diǎn)。 本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是，提供用于線圈裝置的制造方法。
[0007] 所述技術(shù)問(wèn)題通過(guò)在權(quán)利要求1中所述的線圈裝置和通過(guò)在權(quán)利要求14中所述 的方法所解決。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的線圈裝置包括圓柱形的支承體和至少兩個(gè)由超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體構(gòu) 成的線圈繞組。超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體具有雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（zweifachzusammenhangenden Topologie)，并且在雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)包括連續(xù)的超導(dǎo)層。此外，超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體包括兩 個(gè)導(dǎo)體分支，它們?cè)趦蓚€(gè)反向的螺旋繞組內(nèi)繞著圓柱形的支承體布置。
[0009] 關(guān)于定義"雙連通"在幾何的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)，在此這種定義應(yīng)該理解為，超導(dǎo)的帶狀 導(dǎo)體具有帶有孔的單連通套環(huán)或繞圈（Schlaufe)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。"在雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)的 連續(xù)的超導(dǎo)層"應(yīng)該理解為一種層，它在整個(gè)套環(huán)上超導(dǎo)的連接，而不存在具有歐姆接觸的 聯(lián)接。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的線圈裝置能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的、均勻的和在時(shí)間上穩(wěn)定的磁場(chǎng)，因?yàn)檫@ 種線圈裝置基本上能夠無(wú)損地在持續(xù)短路-模式下工作。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的方法提供一種用于具有圓柱形的支承體和超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體的超導(dǎo) 線圈裝置的制造方法，超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體包括至少一個(gè)支承帶和至少一個(gè)超導(dǎo)層。在這種制 造方法中，通過(guò)在安裝超導(dǎo)層之前或之后沿著超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體的長(zhǎng)度方向剪開支承帶制造 雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶狀導(dǎo)體，并且雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體以反向的螺 旋繞組形式繞著圓柱形的支承體纏繞。
[0012] 通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的制造方法可實(shí)現(xiàn)，在雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)構(gòu)成連續(xù)的超導(dǎo)層， 而無(wú)需例如通過(guò)釬焊過(guò)程或者燒結(jié)過(guò)程的事后聯(lián)接。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的線圈設(shè)備的有利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案有從屬于權(quán)利要求1的從屬 權(quán)利要求給出。線圈裝置能夠相關(guān)地具有如下特征：
[0014] -因此，超導(dǎo)層包括高T。溫度超導(dǎo)體（Hoch-T「Supraleiter)。
[0015] -高T。溫度超導(dǎo)體能夠包括材料REBa2Cu30x，其中，RE代表稀土元素（RareEarch) 或者這種元素的混合物。
[0016] -高T。溫度超導(dǎo)體能夠包括材料MgB2。
[0017] -在線圈繞組之間能夠安置至少一個(gè)電絕緣層。
[0018] -電絕緣層和超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體能夠構(gòu)成共同被預(yù)先制造的繞組帶。
[0019] -超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體能夠基本上平坦地安設(shè)在圓柱形的支承體的表面上。
[0020] -線圈裝置能夠包括多個(gè)上下重疊的成對(duì)的反向的螺旋線繞組。
[0021] -超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體能夠包括可加熱的區(qū)域，該區(qū)域與加熱設(shè)備熱接觸。在這種可加 熱的區(qū)域內(nèi)超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體起到超導(dǎo)開關(guān)的作用，這種超導(dǎo)開關(guān)通過(guò)加熱切換為歐姆傳導(dǎo) 的狀態(tài)。這種開關(guān)能夠有利地向線圈裝置的超導(dǎo)的其余區(qū)域提供電流。
[0022] -可加熱的區(qū)域能夠位于螺旋繞組的外部?？杉訜岬膮^(qū)域能夠有針對(duì)性地不與圓 柱形的支承體熱接觸，因而有利地避免了對(duì)螺旋線繞組的超導(dǎo)的其余區(qū)域的加熱。
[0023] _可加熱的區(qū)域備選地能夠構(gòu)成螺旋繞組的一部分，它相對(duì)于圓柱形支承體熱絕 緣。
[0024] _備選于可加熱的區(qū)域，線圈裝置能夠包括用于產(chǎn)生局部磁場(chǎng)的設(shè)備，該設(shè)備能夠 將超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體的區(qū)域通過(guò)局部磁場(chǎng)切換為歐姆傳導(dǎo)的狀態(tài)。
[0025] -線圈裝置能夠包括至少兩個(gè)用于將線圈與外部電源相連接的觸頭。
[0026] -這兩個(gè)觸頭有針對(duì)性地安置在線圈的可加熱區(qū)域的兩側(cè)或者安置在用于產(chǎn)生局 部磁場(chǎng)的設(shè)備的兩側(cè)。隨后，向線圈的仍超導(dǎo)的區(qū)域傳輸外部電流。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的制造方法的有利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案有從屬于權(quán)利要求14的從屬 權(quán)利要求給出。所述制造方法還能夠具有如下特征：
[0028] -雙連通的超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體能夠與電絕緣層連接為預(yù)先制成的繞組帶，并且該繞 組帶為了制造反向的螺旋線繞組能夠被儲(chǔ)備輥纏繞。
[0029] -在通過(guò)被儲(chǔ)備棍纏繞制造反向的螺旋線繞組時(shí)，儲(chǔ)備輥為了制造每個(gè)線圈繞組 能夠穿過(guò)超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體一次。這種方法有利地利用2G-HTS帶狀導(dǎo)體進(jìn)行，2G-HTS帶狀導(dǎo) 體對(duì)于這種方法能夠設(shè)計(jì)為足夠抗扭穩(wěn)定的。
[0030] -能夠利用激光或者線切割機(jī)剪開單連通的超導(dǎo)帶狀導(dǎo)體。
[0031] 下面根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例在結(jié)合所附的附圖的情況下闡述本發(fā)明，在附圖中：
[0032] 圖1示出雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶狀導(dǎo)體的示意性俯視圖，
[0033] 圖2示出根據(jù)在圖1中的剖切面II所示的超導(dǎo)的2G-HTS帶狀導(dǎo)體的示例性橫截 面，
[0034] 圖3示出超導(dǎo)的線圈裝置的示意性側(cè)視圖，它使得在實(shí)施例中的導(dǎo)體分支的繞組 更加明白。
[0035] 圖1示出雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶狀導(dǎo)體的示意性俯視圖，通過(guò)剪開單連通的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶狀導(dǎo)體來(lái)制造雙連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶狀導(dǎo)體。在這個(gè)實(shí)施例中，借 助激光實(shí)現(xiàn)所述剪開。所示的實(shí)施例描述用于核磁共振（NMR)-光譜學(xué)的線圈裝置。在這 個(gè)示例中，原始單連通的帶狀導(dǎo)體的長(zhǎng)度6是1000m。但是，這種長(zhǎng)度還能夠更短或更長(zhǎng)。 在用于形成磁共振的線圈裝置中，所述長(zhǎng)度能夠是這里所述長(zhǎng)度的幾倍。超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體 包括兩個(gè)幾何尺寸大概相同的導(dǎo)體分支2和4。電流1 2流過(guò)第一導(dǎo)體分支2,并且電流I4 沿著相反的方向流過(guò)第二導(dǎo)體分支4,因而封閉的環(huán)流流過(guò)整體上雙連通的超導(dǎo)的帶狀導(dǎo) 體1。原始單連通的帶狀導(dǎo)體的寬度8在該實(shí)施例中是10_，并且兩個(gè)導(dǎo)體分支2和4的 寬度在被剪開的區(qū)域內(nèi)分別是5mm。但是，根據(jù)所使用的帶狀導(dǎo)體材料，導(dǎo)體分支2和4的 這種寬度還能夠更大或更小。
[0036] 圖2示出超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體1的橫截面，其中示意性示出2G-HTS的層結(jié)構(gòu)。在這種 示例中，將超導(dǎo)的帶狀導(dǎo)體1與絕緣層10固定連