超导磁体的电、机械以及热隔离的方法和设备的制作方法

专利名称：超导磁体的电、机械以及热隔离的方法和设备的制作方法
技术领域：
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背景技术：
根据本发明的实施例通常涉及超导磁体，更加具体地，涉及用于在极端电和热梯度的环境下掩蔽磁体的方法。也可以构建本发明的实施例用以高度抵抗超导材料上的电离辐射及其有害影响。本发明的电和热隔离能力可用于例如直接动能到电能转换器的磁流体动力学 (下文中为“MHD”)的领域。紧凑而稳健的MHD转换器装置可用于高效率地将喷气机或火箭排气流的动能转化为电能。在超热排气流的周围掩蔽敏感的超导材料仅仅是根据本发明的热和机械隔离超导磁体(即，磁体线圈、线圈支撑结构、冷却系统和热绝缘)的实践。超导磁体的电、机械和热隔离的方法和设备涉及超导磁体设计、制造和操作的领域。更加具体地讲，超导磁体的电、机械和热隔离的方法和设备涉及用于在极端电和热梯度的环境中掩蔽超导磁体的方法。也可构建各种实施例用以高度抵抗超导材料上的各种形式的辐射(包括电离辐射)及其不利影响。在此公开的内容还适用于需要强磁场的其它处理和装置，其中存在高热梯度、强电场或高电场梯度或各种形式的辐射。本发明也适用于核磁共振(下文中为“NMR”)和磁共振成像(下文中为“MRI”) 的领域，其中根据本发明构造的超导磁体将允许材料分析和成像装置能够经受住更加极端的电、热和辐射环境。本发明也可用于质谱分析的领域。根据本发明使用超导磁体构建的质谱仪将具有非常大的温度、振动和辐射暴露的工作范围。本发明也适用于先进的空间推进领域。最后，本发明涉及磁性材料分离的领域，其中本发明将用于提供强磁场以去除来自要被处理的物质的磁性元素。根据一个或多个在此公开的当前实施例构建的磁体将允许用于此装置的更大的工作温度范围。

发明内容
根据本发明的各种实施例的方法和设备为这样的设计，其用于在提供冷却、热隔离、结构支撑，并同时提供高势差电绝缘的设备中容纳超导磁体。在某些方面，冷却的各种实施例包括低温冷却。本领域内的技术人员可以容易地认识到预计通过在此公开的技术实施的附加的冷却方法。
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在一个实施例中，电绝缘包括一个或多个介电材料层。在一些实施例中，一个或多个介电层可以是陶瓷、玻璃、聚合物或其它可适用的介电材料，这取决于具体应用。一个或多个绝缘超导磁体的介电层允许介电层外部的导电层相对于线圈绕组、冷却系统和绕组壳体保持在高电势差下。包围超导线圈绕组的最内层由用于线圈绕组自身的结构支撑构成，可以同时起用于有效泵抽冷却剂的液流通道的作用。在某些方面，在介电层和结构支撑/冷却系统层之间提供与具有极低热传导率的挠性低密度基于硅石热绝缘层结合的金属化的编织的聚合织物包覆(在各个方面，反射性“超绝缘”)。三个或更多的柱可以支撑超导磁体设备，可以提供抵抗重力或其它在操作期间出现在磁体组件上的力的支撑。这些支撑柱的一个或多个可以是中空的，以提供通过其可以布置冷却剂供给、电源、或其它供给管道的腔。在各个方面，超导磁体组件可任选地为环形或其它适合的几何构造。在一个实施例中，支撑柱的外部一个或多个层可以是一个或多个介电材料层。当磁体组件的最外层要经受高热通量或各种形式的辐射时，可以将近室温冷却系统并入到超导磁体组件和相关的系统。在一个实施例中，附加的近室温冷却系统具有介电冷却剂和介电冷却剂供给线，以使与一个或多个介电冷却剂材料或介电冷却剂供给线接触的最外的导电层可以继续保持在高电势下。在另一个实施例中，一种提供一个或多个超导电磁体的电绝缘和机械支撑的方法，包括以下步骤用一个或多个介电材料层包裹所述一个或多个超导磁体并用一个或多个导电材料层包裹所述一个或多个介电材料层，所述一个或多个介电材料层共同具有比 ⑴和⑵的商大的介电强度，其中⑴是⑴和(ii)之间的最大电势差(电压)，其中 (i)为所述一个或多个超导磁体；而(ii)为包裹了包裹所述一个或多个超导磁体的所述一个或多个介电材料层的所述一个或多个导电材料层；并且(2)为所述一个或多个介电材料层的共同厚度；以及为所述一个或多个超导磁体提供机械支撑，其中每个磁体与支撑所述一个或多个超导磁体的结构的表面保持一定距离，以使(3)和(4)之间的最短距离大于 (5)和(6)的商，其中(3)为所述一个或多个导电材料层的最外表面；(4)为支撑所述一个或多个超导磁体的所述结构的所述表面；(5)为⑴和(ii)之间的最大电势差(电压)，其中(i)为所述一个或多个超导磁体；而(ii)为包裹了包裹所述一个或多个超导磁体的所述一个或多个介电材料层的所述一个或多个导电材料层；以及(6)为(3)和(4)之间的介质 (插入物质)的有效介电强度。在另一个实施例中，所述方法还包括用于提供包括用于所述线圈的结构性支撑结构的高K介电材料的一个或多个最内层的步骤，所述结构支撑结构还作为用于有效泵抽低温冷却剂的一个或多个流动通道。在另一个实施例中，一种用于一个或多个超导电磁体的机械支撑、电绝缘和热绝缘的方法包括以下步骤支撑超导电磁体绕组、绕组壳体和低温冷却剂；隔离包括由上半部分和下半部分组成的电介质的环形部分的一个或多个层元件；以及热隔离一个或多个超导磁线圈。在实施例的其它各个方面，所述方法包括用于隔离包括由上半部分和下半部分组成的电介质的环形部分的一个或多个层元件的步骤，而且还包括在氢氧化物溶液中溶解硅
7酸盐的步骤。在其它各个方面，所述方法也可以包括用于隔离包括由上半部分和下半部分组成的电介质的环形部分的一个或多个层元件的步骤，还包括在环形部分周围缠绕挠性玻璃纤维的步骤；以及用环氧树脂(epoxy)溶液处理所述纤维。在某些方面，所述方法可以包括其中热绝缘一个或多个超导磁体线圈的步骤，还可以包括在外层和所述介电层之间并入辐射屏蔽层的步骤。在另一个实施例中，一种提供一个或多个超导电磁体的电绝缘和机械支撑的方法还可以包括用于这样的步骤，提供与包含高反射率、低热传导率材料的挠性低密度基于硅石热绝缘层耦合的一个或多个真空冲击的(vacuum-impinged)金属化的编织的聚合织物包覆层的步骤。在另一个实施例中，一种超导磁体线圈，包括高K介电材料层；真空冲击的织物包覆层，该层提供与包含高反射率和低热传导率材料的挠性的低密度基于硅石的热绝缘层耦合的一个或多个真空冲击的金属化的编织的聚合织物包覆层；以及热绝缘层。在某些方面，所述实施例也可以包括高K介电材料层，该层包括在铜基中乃至由多个编制的丝和附加结合材料组成的较大电缆中包含的单独的丝；管中电缆卢瑟福电缆的绕组，其中铜基体中的超导丝编织在中心铜通道周围，其中外部电缆被绝缘材料覆盖；真空冲击的金属化的编织的聚合织物包覆层；以及热绝缘层。在另一个实施例中，一种绕组支撑结构，包括固定到线圈绕组的由上半部分和下半部分构成的不锈钢环形容器；耦合到所述下半部分上的多个供给导线的一个或多个孔， 其中一个或多个电缆以一偏移量分离；与所述电缆孔同轴的装配板；以及从第一对柱偏移的一个或多个附加柱，其中所述柱沿一个或多个线圈半径向下延伸。在某些方面，所述实施例也可以包括保持在高真空下的一个或多个金属化的尼龙包围层；被气密金属腔包围的一个或多个层；附加的热绝缘层；以及被包裹在片中并通过高强度纤维固定在一起的纳米孔凝胶体的一个或多个挠性片。在其它各个方面，所述实施例也可以包括包含真空腔体内的绕组支撑结构并提供内部真空的容器，以密封围绕绕组的内部结构元件。在其它各个方面， 所述实施例可以包括冷却系统、具有高介电特性的冷却系统、其中可以泵抽介电冷却剂的通道、蚀刻进入固体介电层外部的通道、由介电材料组成的管道，其中所述管道向线圈头提供介电冷却剂并通过内部支撑柱的中空部分、遵循围绕外部金属层的磁场线的轮廓的次半径横截面、以及具有微呈椭圆形的次半径横截面的线圈。参考本说明书的剩余部分，包括附图和权利要求，将认识到本发明的其它特征和优点。本发明的其它特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构和操作将在下面结合附图详细描述。在附图中，同样地参考数字代表同一个或功能相似的元素。


图1是本发明的一个被设计用于在腔室内安装的实施例的外部和内部的三维剖面图。图2A是具有大的主半径对次半径的比率的环形(toroidal)磁线圈头的横截面， 该磁线圈头具有与产生的磁场共形的线圈容器几何结构。图2B是具有小的主半径对次半径的比率的环形磁线圈头的横截面，该磁线圈头具有与产生的磁场共形的线圈容器几何结构，线圈几何结构的特征为外部线圈容器的偏移或伸长。图2C是具有非圆形绕组横截面且具有与产生的磁场共形的线圈容器几何结构的螺线管类型的磁线圈头的横截面，该磁线圈头的特征在于“水滴”形状，其被平铺 (flattened)在线圈空腔内的容器的表面上。图3示出了具有适合于在本发明的环形或多边形实施例中使用的多个绕组的次半径横截面。可以平行布设多个绕组以提供均勻的电流密度，或者在变化的电流下(与主绕组互补或相反)以控制线圈掩体外部的磁场形状。图4是具有与图3类似的次半径横截面的本发明的实施例的环形线圈头的剖面。图5A是在透视图中示出的本发明的多边形实施例(在该情况下，方形)的剖面。图5B示出了在沿图5A中所示几何结构的直线部分的中间点(特别地，在被标记为509的平面)处的适用于产生的磁场与容器共形的次半径横截面。图5C示出了在图5A中所示几何结构的拐角处(特别地，在被标记为508的平面) 处的适用于产生的磁场与容器共形的次半径横截面。图6示出了与产生的磁场和附近的抗磁等离子体产生的场的叠加共形的圆形线圈的横截面。其特征在于外部线圈容器沿连接次半径的中心和等离子体表面处磁场的发散矢量的线的偏移或伸长。图7示出了环形系统的横截面，包括电源线和热/电隔离元件的位置和设计。图8A是具有用于在高外部热通量下的本发明的操作的底部装配的辅助冷却系统的线圈头的剖面图。图8B示出了图8A中所示几何结构的次半径横截面的详细视图。图9是剖面图，示出了适用于屏蔽环形线圈绕组的后面装配的支撑以防止带电粒子冲击的载流线圈的布置。图10是用于提供一个或多个超导磁体的电绝缘和机械支撑的方法流程。图11是还包括用于提供一个或多个超导磁体和介电绝缘的电绝缘、机械支撑的附加步骤的方法流程。图12是用于在超导磁体与其最外面的容器之间提供电隔离的方法流程。图13是用于在超导磁体与其最外面的容器之间提供电隔离的方法流程。图14是用于在超导磁体与其最外面的容器之间提供电隔离的方法流程。图15是用于在超导磁体与其最外面的容器之间提供电隔离的方法流程。图16是用于提供用于超导电磁体的电隔离、绝缘、机械支撑和支撑杆的绝缘的方法流程。图17是用于提供超导磁体与其支撑结构的电隔离和绝缘的方法流程。图18是用于提供一个或多个超导磁体的机械支撑、电隔离和热绝缘的方法流程。图19是还包括用于提供一个或多个超导磁体的机械支撑、电隔离和热绝缘的附加步骤的方法流程。图20是还包括用于提供一个或多个超导磁体的机械支撑、电隔离和热绝缘的附加步骤的方法流程。图21是还包括用于提供一个或多个超导磁体的机械支撑、电隔离和热绝缘的附加步骤的方法流程。
图22是还包括用于提供一个或多个超导磁体的机械支撑、电隔离和热绝缘的附加步骤的方法流程。图23是用于提供一个或多个超导磁体的机械支撑、电隔离和热绝缘的方法流程。图24是还包括用于提供一个或多个超导磁体的机械支撑、电隔离和热绝缘的附加步骤的方法流程。
具体实施例方式根据本发明的各种实施例的方法和设备克服了一个或多个超导磁体的现有机械、 电，和热隔离中的上述和其它不足。在本发明的一个实施例中，超导绕组以圆形横截面放射状缠绕，以提供偶极磁场。 绕组本身可以具有铜基体的单独的超导丝，或者具有由多个编制的丝和附加的铜接合剂 (binder)组成的较大电缆。超导丝可以是高温(HTSC)或低温(LTSC)类型的。由于HTSC 绕组的临界温度更高，HTSC超导体可以优选在实施例中经受更热的气流，从而可降低冷却它们所需的输入功率。然而，在更高冷却功率需求的代价下，LTSC绕组拥有在辐射效应下耐久性的优点。在某些方面，所有的实施例可以变化地包括包含超导绕组、绕组掩体、低温致冷剂和冷却剂容器的超导磁体。所有的实施例也可以包括外部金属层，该外部金属层包含包围介电材料的导电材料，该介电材料包围超导磁体。在另外一些方面，第一电压包括超导磁体和外部金属层之间的电势差。在其它各个方面，实施例变化地包括包围介质(medium)， 其中介质包围外部金属层且包围同样包围了支撑杆的绝缘层。在同时使用LTSC和HTSC丝的情况下，本发明的优选实施例利用管中电缆卢瑟福类型电缆的绕组，其中铜基体的超导丝缠绕在中心铜通道的周围。此通道被所需的低温冷却剂填充，并被有效泵抽以提供强制的对流制冷。可用的冷却剂包括各种流体，其中包括液氦、液氮、液氢和超临界的气体等等。在此将流体考虑为连续的、无定形的物质，它们的分子自由移动，彼此自由经过，而且具有呈现出其容器形状的趋势。这些电缆的外部被例如聚酰胺的耐用型电绝缘体覆盖。其它实施例包括被外部泵抽的低温冷却剂冷却的固体绕组，并且绕组通过闭合循环的制冷机经由传导直接被冷却。根据特定应用的需要，完成的磁体绕组接下来可以在真空浸渍(vacuum impregnation)下与环氧树脂结合在一起，或者再次被聚酰胺包覆。在前面提及的实施例中，此元件为环形(圆环形的(donut shaped))，具有延伸几个线圈半径的内部冷却的卢瑟福类型电缆的正和负导线，以使电能和冷却剂流可以被提供给绕组。在绕组的外部上，下一层由绕组支撑结构构成。在一个实施例中，这由上半部分和下半部分构成的不锈钢环形容器组成，它被围绕线圈绕组栓接(bolt)或焊接在一起。底半部分上的两个小孔允许通过供给导线(冷却剂和电力)。在优选实施例中，这两个电缆被180度分离。与这些电缆孔同轴的是用于支撑柱的装配板，而且一对附加的柱偏离第一对90度。支撑柱的内部结构元件附接在这里，且沿一定数目的线圈的半径向下延伸。在各种方面，另一个实施例可以变化地包括将支撑柱焊接到容纳超导磁体的环形容器。围绕钢支撑结构，可以有多层金属化的尼龙、金属化的编织的聚合织物包覆。这些
10要容纳于容器之中，容器内部要保持高度真空，由此提供热绝缘特性。在一个实施例中，该层被气密的金属空腔包围，以使该区域可以被排空为高真空。在另一个实施例中，组件可以被设计为容纳在真空腔体内，并被设计为创造用于提供内部真空的构造。注意，在此实施例中，围绕绕组的内部结构元件被密封，以使少量的冷却剂泄漏不会破坏真空。 金属化的编织或聚合织物包覆层被例如极高R值海绵或基于硅石的涂层的附加的热绝缘层包围。一个实施例利用极低密度纳米孔凝胶的挠性的片。这些可以被包覆在片中，并通过高强度纤维线材料而保持在其适当的位置。围绕热绝缘层，存在被设计用于电隔离的元件。这些元件由上半部分和下半部分构成的电介质、或挠性电介质的多层包覆的环形部分组成。对于最大电隔离，一个实施例由熔融硅石(低金属含量的玻璃)的两个半部分组成。这些半部分可以通过多种方法接合在一起，包括将两个半部分熔化和压力焊接到一起。如果采用该方法，在超导材料对高温特别敏感时，要特别当心，以免损坏内部线圈绕组。在该处理期间，用低温冷却剂填充冷却剂容器是一种最小化绕组的热劣化的机会的方法。用于接合介电部分的另一种方法包括在氢氧化物溶液中的硅酸盐的溶解。该溶液可被施加到界面，而且经过溶液固体的蒸发，一种固体硅酸盐结合物将保留。另一个实施例可使用将挠性玻璃纤维围绕环形部分缠绕至所需厚度，并接着用环氧树脂或硅酸盐_氢氧化物溶液处理，以密封任何小孔或洞。附加的实施例可以使用基于环氧树脂的电介质、陶瓷、或聚合物。由于聚合物和环氧树脂在加热时趋于出气和退化时，硅石和陶瓷优选用于高温和真空的应用。根据本发明的一个方面，线圈头的外层为刚性金属元件，被设计为抵抗各种波长的电磁波的影响。无线电、红外线和X射线，以及中间波长将被该层大量吸收。抛光外表面将导致增加反射的电磁辐射的量，并增加其黑体发射率，由此加速冷却。当外层上的电磁或对流的热负载高时，需要另一个实施例，将需要包括附加的冷却系统。为了保持线圈头的外壳和地之间的电隔离，该冷却剂必须本身具有很强的介电特性。这些需求可以通过但不局限于以下方式来满足高度精炼的矿物油、氟化碳氢化合物， 以及基于硅氧烷(silicone)的商用变压器流体(transformer fluid)。用于保持电绝缘的最主流的材料是基于硅氧烷的流体，因为其不具有像矿物油一样的燃烧风险。在另一个实施例中，外部金属元件件可以包括其中介电冷却剂可以被泵抽的小通道，或者将通道蚀刻到固体介电层的外部，以沿金属_电介质界面提供冷却。对于该实施例，必须注意固体介电材料不会与介电流体发生不利的反应，像氟化碳氢化合物和某些聚合物的情况一样。向线圈头提供介电冷却剂的管道向下通过支撑柱的中空部分，具体地讲， 就是这些管道不会容纳超导电缆导线。此管道也必须由介电材料构成，以避免与处于地电势的泵抽系统电导通。在一个实施例中，当希望高通量的例如中子或伽马射线的中性粒子辐射时，该设计可并入在外部容器和介电层之间的辐射屏蔽层。这只可以在大装置上实践，其中线圈的次半径超过10cm。此辐射屏蔽可以是类似铅的致密金属的形式，或者是硼化碳-合成物 (borated carbon-composite)片。在一个实施例中，高通量的带电粒子需要外部金属层的形状与磁场线共形。这不仅降低了装置上的机械应力，而且更重要地是它通过限制场线(场线是带电粒子回转运动
11的导向中心)终止在金属表面上的程度而降低了带电粒子的冲击。根据另一个实施例，单个隔离的线圈，优选的次半径横截面是略微椭圆形的，具有面向里朝向线圈的轴的平坦侧面。对于线圈阵列或在外部磁场存在时，横截面的几何结构将相应地变化，以使次半径横截面跟随围绕外部金属层的磁场线。在另一个实施例中，线圈头由多个支撑柱支撑，其内部结构元件是中空的以提供用于要通过的支撑电缆和导管的通道。该元件被与在线圈头上出现的热绝缘和介电层相似厚度的热绝缘和介电层覆盖。然而，柱上没有外金属层，这允许线圈头上的最外面的金属容器与组件的其余部分完全电隔离。柱被附接到一对结合热绝缘的套管和伸缩接头的支撑环上。这阻止了过度的热被导向内部线圈绕组。下环被附接到到用作结构基础以及将组件附接到所需位置的装置的装配板上。在本发明的一个实施例中，电绝缘包括高K介电陶瓷层、玻璃或聚合物，以使组件的最外层金属层可以保持在与线圈绕组的高电势差下。在某些方面，提供了，结合具有极低热导率的挠性低密度基于硅石的热绝缘层的，真空冲击的金属化的编织的聚合物织物包覆。最内层提供了用于线圈绕组和冷却系统的结构支撑，它可以具有作为有效泵抽低温冷却剂的流通道的双重作用。接着通过三个或更多的柱来支撑环形线圈头，以提供重力支撑。 这些柱是中空的，以提供可以低温冷却剂和电源管道可以通过的腔。与环形线圈头相反，柱的最外层是厚的电介质而不是金属。如果线圈头的外部要经受高热通量，就可以并入附加的近室温冷却系统。该系统具有介电材料的冷却剂和供给线，以使线圈头的外部即使与冷却剂接触仍可以保持在高电势，而没有内部电弧放电的风险。图1还示出了本发明的一个被设计用于在真空室中安装的实施例的三维剖面图。 此实施例趋于产生一个偶极磁场。通过输入管道113向超导绕组110供给电流和冷却剂， 输入管道113被同样作为容器的结构元件109包围，结构元件109容纳液体或气体冷却剂。 在某些方面，冷却剂可以是低温容器中的低温冷却剂。因为结构元件必须维持在极低温度下，因此优选奥氏(austenitic)钢合金。冷却剂可以是多种不同类型中的一种，包括例如液氮或液氦的液态气体，或者低温下的足以防止相改变的压力下的超临界气体。如果在绕组中使用的材料的转化温度低于10K，优选超临界氦。为了将经超级冷却的线圈绕组与传导热隔离，采用了多种系统。由多个真空冲击的聚脂薄膜(mylar)片组成的绝缘覆层(公知为“超绝缘”)或例如气凝胶的低密度固体可用于此目的。绝缘层108存在于线圈头自身上，覆盖结构元件。在某些方面，结构元件109 可以变化为绕组壳体或绕组头低温容器109。在其它不同方面，低温容器109可以是低温保持器109。热绝缘材料111也覆盖结构支撑杆112。结构支撑杆112由此也通过与低温保持器的传导性接触而被超冷却。支撑杆112接着必须通过热支座(standoff) 104与室温部件隔离。为了提供结构完整性，两个支撑环102和103提供了组件的横向刚度。上环102称作“冷环”，因为它与冷却部件部分接触。在某些方面，冷却部件可以包括超冷却低温部件。 下环103称作“暖环”，因为它处在室温附近。暖环接附到基础板115，在该实施例中，基础板115具有用于在真空室的端口中装配组件的法兰密封114。第二冷却系统由组件表面附近的冷却的介电冷却剂通道106构成。为了在线圈头105的金属外皮(钢、钨、或钛)和地之间保持电隔离，此冷却剂必须自身具有很强的介电特性。高精练的矿物油、氟化碳氢化合物，以及基于硅氧烷的商用变压器油满足这些需求。优选基于硅氧烷的流体，因为它们不具有与矿物油一样的燃烧的风险。该冷却剂可以通过足以将外部容器维持在室温附近(低于 70°C)的冷却器和散热片的系统泵抽，以限制主冷却系统上的冷却功率负载。在某些方面， 主冷却系统可以是低温的。为了将线圈头容器105与地和与线圈绕组电隔离，一个或多个介电材料层107和101分别围绕在线圈头上的热绝缘层108和支撑。此材料的介电强度必须相对高。在一些实施例中，介电材料可以是用于此层的熔融硅石(石英玻璃)。厚度由必须维持的电压决定。在一些实施例中，介电材料必须在从约0. Icm到约50cm的厚度范围内。线圈头容器105和电学地之间的电势差(v，伏特)作为介电强度(Dk)和介电材料厚度(L)的乘积的函数而变化。在一些使用熔融硅石的实施例中，线圈头容器和地之间的每 50kV的电势差需要约lcm。线圈头105还具有外径116和内径117。线圈头组件118包括超导绕组110、冷却器/结构元件109、热绝缘层108、介电材料107、冷却的介电冷却剂通道 106以及线圈头容器105。现在参考图2A，该图示出了与图1中所示形式类似的线圈头地横截面。这是围绕对称轴206的超导体205的环形绕组，具有圆形横截面。低温保持器/结构元件204、热覆层203、一个或多个介电层202和线圈头容器201包围超导绕组并共享类似的圆形横截面。 这是有必要的，以在组件的材料表面和产生的磁场线之间提供最大的保形度。这降低了装置上的机械应力并通过限制场线(其为带电粒子回转运动的引导中心)终止在金属表面上的程度来降低带电粒子冲击。对于与等离子体或带电粒子源接触或紧密邻近而使用的系统，这非常重要，因为它降低了可能反过来会压制冷却系统的线圈头外部的热。对于具有大主半径的皮状线圈，圆形横截面满足了这些需求。在另一个实施例中，示出了如图2B中所示的具有相对较小主半径的更胖的线圈， 线圈孔中的对称轴207附近的磁场线被压缩到接近线圈相反一侧，而且圆形横截面不再理想。在此情况下，圆形横截面线圈绕组213被圆形横截面低温保持器/结构元件212和热绝缘211围绕，但是一个或多个介电层210向外偏移而且为轻微的椭圆形，以适应相似地向外偏移的场保形线圈头容器209。在另一个实施例中，示出了非圆形的线圈绕组横截面，例如图2C中所示的矩形螺线管218。在某些方面，推荐低温保持器/结构元件217具有与绕组相似的横截面几何结构，而例如热绝缘216和一个或多个介质层215的所有外层具有与场共形外部线圈头容器 214相似的横截面几何结构。如图2C中所示，对称轴208附近的线圈的向里的面(面向孔的面)近乎平面，以在磁体孔中容纳基本上恒定的磁场。热和电绝缘层的厚度必须在所有点上比组件的正常操作所需的最小厚度要厚。图2C中所示版图将趋于更加迅速地在线圈的内面上传递热，产生线圈绕组218和低温保持器/结构元件217差别加热。如果热通量过高，这对组件的操作和寿命有害。在高热通量的情况下，可以替代地优选使用附加线圈绕组，以使磁场的形状保持与容器形状共形，而不是相反情况。图3示出了使用该概念的线圈头的次半径横截面。外线圈头容器301近似为圆形， 与一个或多个介电层302和热绝缘层303 —样。主线圈绕组310包括在结构元件305中嵌套在一起的三个矩形绕组的组。两个由超导绕组307和308组成的小“补偿线圈”可以在变化的电流值下运行，以获得与外部容器共形的磁场(磁场线在容器表面处与容器平行)， 尽管存在由其它线圈或电流外部施加的磁场。在线圈阵列中，可以优选为所有元件采用椭
13圆而非圆形横截面。在相互紧密邻近的球形线圈阵列的情况下，这必须特别谨慎。补偿线圈必须被刚性支持主线圈和补偿线圈的结构支架(brace) 306支撑。现在参考图4，示出了具有图3中所示横截面的环形磁体。矩形横截面线圈绕组 404关于对称轴401对称，补偿线圈403和402也是如此。结构支架406的阵列维持主线圈和补偿线圈的间隔，尽管在它们之间会产生力。固体结构元件405提供了组件的主要刚性， 低温保持器/结构元件407、热绝缘层408、一个或多个介电层409和线圈头容器410都附接在该元件之上。对于不关于轴圆形对称的线圈，用于理想磁场共形度的次半径横截面不沿线圈长度不是恒定的。图5A示出了装配在具有支撑杆502的支撑基础503上的四个边的多边形线圈头容器501的剖面图。线圈绕组507沿磁体长度保持圆形横截面，低温保持器/结构元件506和热层505也是如此。然而，包括一个或多个介电层504和线圈头容器501的外层具有非恒定的横截面以保持磁场共形度。在通过分割平面509标记的横截面处，优选的版图如图5B中所示，其中线圈绕组 511的圆形横截面与其外部容器510的一样。在通过分割平面508标记的拐角处，必须改变版图以保持场共形度，如图5C中所示。外部线圈头容器512的大致圆形横截面的线圈绕组513的中心朝向线圈的外侧 (outboard side)偏移很小的距离515(额外的宽度与图5C中所示并还与图5A中所示的定向平面508中的箭头对应的箭头的方向相反)。此外，分割平面508的横截面的内侧 (inboard side) 514的短部分是平坦的，导致离超导绕组的中心更短的半径。这两个平面之间的横截面是两个极端情况的线性组合，以便沿线圈表面没有中断。低温保持器/结构元件516围绕并支撑超导绕组513并且还可以提供用于制冷目的的流动通道。现在参考图6，示出了为紧密邻近抗磁等离子体601的场共形度设计的线圈头的横截面。中心超导绕组608的横截面为圆形，并且如果所述线圈为偶极的，那么会关于轴 602对称。低温保持器/结构元件607和热绝缘606同样为圆形横截面，而且与绕组同心。 一个或多个介电层604在线圈边缘沿与等离子体/磁场边界的表面正交的线偏移并微呈椭圆形，以适应相似偏移的场共形线圈头容器603。如果由抗磁等离子体导致的场线压缩足够大，那么线圈的面向等离子体侧上的小的平面部605将被包括以确保与容器的场共形度。现在参考图7，示出了本发明的实施例的线圈头、支撑和穿通(feedthrough)的横截面。圆形超导线圈绕组702关于轴701对称，而支撑按图1中所示布置。低温保持器/结构元件703刚性附接到两个支撑上的固体支撑柱元件713，并且被附接到其它部分上的容纳用于给绕组供给冷却剂和电能的供给管道705的中空支撑柱元件708。所有的支撑柱上的是热绝缘层707和介电屏蔽706，它们延伸进入用于柱装配板709的钟形覆盖，冷环710 和暖环711提供结构刚性，而由低热传导性材料组成的热支座716 (在一个实施例中，为具有隔离的钢加固的表熔气凝胶(surface fused aerogel))热隔离冷环。在供给导管壳体腿上，真空绝缘的穿通元件712包含在冷环下面通过之后的管道。三个支撑柱中的一个容纳高压线714，它既放走由带电粒子在线圈头容器上的冲击而积累的电荷，又用以将线圈头容器偏置到所需的电势(电压)。使用玻璃纤维电隔离高压线，并将其埋在介电支撑柱护甲 706的下面，直至它在点715处离开。图8A示出了具有与图1中所示系统类似的辅助冷却系统的圆形线圈的剖面图细节。线圈绕组801由结构支撑802和支架803支撑，而一系列冷却剂线805从线圈容器804 提供了接近室温的冷却。图8B中所示的线圈的次半径的二维横截面显示出，此辅助冷却系统在主热覆层808的外部，并由此通过降低热绝缘层外部的平衡温度降低了绝缘系统上的热负载，这降低了热向线圈绕组内部转移的速率。这由位于介电层和外线圈容器809之间的上述类型的穿通线中流动的流体805来实现。在此实施例中，这些线只位于线圈的底部上面，而根据入射在线圈顶部上要被转移到冷却剂的热通量计算传导。这可以通过两种方式获得，第一，外线圈容器804在线圈底部要比在线圈顶部厚，导致因下部分的更大的热容量而加强热转移。第二，具有非常高的热传导率的层806，在一个实施例中例如铜，被附接在冷却剂线上，并延伸向线圈顶部。在其它实施例中，冷却剂线可以沿线圈的整个表面布局， 而非像本实施例一样只是在表面的一部分之上。在极端热通量的应用中，可能必须具有多个辅助冷却系统，每个被热绝缘层隔离。在一个实施例中，基于材料考虑，平衡表面温度可以尽可能的高(对于钨大概在2500K左右)，只要充足的辅助冷却剂系统存在，就可以防止主要绝缘层的外表面超过约70°C (343K)。图9中的剖面图细节中示出了第二类补偿线圈布置。此线圈绕组布置被设计为允许产生的磁场和支撑杆之间的部分场共形度，以降低在能量粒子源或等离子体附近被掩蔽时的支撑柱的介电护甲上的带电粒子的冲击频率。该主线圈绕组901侧面具有沿支撑柱的轴产生偶极磁场的小螺线管线圈902。小螺线管线圈绕组必须也位于绝缘、介电和冷却元件之内，正如主线圈一样。存在中空区域903，以允许用于主线圈的低温冷却剂和电源线通过。在另一个实施例中，如图10中所示，提供了一种提供一个或多个超导电磁体的电绝缘、热绝缘和机械支撑的方法。提供一个或多个超导电磁体的电绝缘和机械支撑的方法 1000包括按任意次序的以下步骤用具有比(1)和O)的乘积还要大的介电强度的介电材料层电隔离超导绕组、绕组壳体、低温冷却系统和冷却系统壳体的步骤1001。在某些方面，
(1)为(i)超导绕组、绕组壳体、低温冷却系统和冷却系统壳体与(ii)围绕包围超导绕组、 绕组壳体、低温冷却系统的介电材料的导电材料的最外表面之间的电势差。在其它方面，
(2)为介电材料的厚度。在上述方法中出现的另一个步骤中，提供了在腔体内通过多个支撑杆机械支撑超导绕组、绕组壳体、低温冷却系统和冷却系统壳体的步骤1002，以使(3)电介质的最外表面和(4)腔体壁的最内表面之间的最短距离大于下面(5)和(6)的商。在某些方面，(5)为(i)超导绕组、绕组壳体、低温冷却系统和冷却系统壳体与(ii)介电材料壳体的最外表面之间的电势差。在另一个步骤中，提供了用介电材料层隔离支撑杆的步骤1003。 在其它各个方面，(6)是(i)包围介电材料容器的最外表面并(ii)利用具有比第一电压和介电层的厚度的乘积大的介电强度的介电材料层隔离支撑杆的媒介的有效介电强度。在如图11中所示的另一个实施例中，一种提供一个或多个超导电磁体的电绝缘、 热绝缘和机械支撑的方法1100除了图10中所示所有步骤外还包括提供一个或多个高K介电材料的最内层的步骤1104。在某些方面，一个或多个高K介电材料层可以耦合到用于线圈的结构性支撑结构，该支撑结构同样作为一个或多个用于有效泵抽低温冷却剂的液流通道；以及提供一个或多个真空冲击的金属化的编织的聚合织物包覆，该包覆与包含高反射率、低热传导率材料的挠性低密度基于硅石的热绝缘层耦合。在其它各个方面，一个或多个高K介电材料的介电层可以形成在一个或多个上述配置中的其它实施例中起作用的结构性支撑结构。在图12中所示的另一个实施例中，一种提供一个或多个超导电磁体的电绝缘、热绝缘和机械支撑的方法1200包括按任意次序的以下步骤将超导线圈与其最外面的容器电隔离的步骤1201和提供围绕支撑结构的一个或多个介电层的步骤1202。在图13的流程中所示的其它方面，可以提供图10的方法，其中一个或多个包围支撑结构的介电层为低温容器。在其它各个方面，一个或多个介电层可以自身形成低温保持器/结构元件。在如图14中所示的其它各个方面，可以提供图10的方法，其中一个或多个介电层基本上经受住约250000V(250kV)的最大电压。在如图15中所示的某些方面，可以提供图10的方法，其中一个或多个介电层具有约0. 5厘米的最小厚度到约50厘米的最大厚度的厚度。在图16中所示的另一个实施例中，提供了用于支撑超导电磁体绕组、绕组壳体和低温冷却剂的一个或多个超导体电磁体的机械支撑、电绝缘和热绝缘的方法1600包括图 10的步骤而且还包括按任意顺序的以下步骤通过提供包围支撑结构的一个或多个介电层将超导线圈与其最外面的容器电隔离1601，利用介电材料层电隔离超导绕组、绕组壳体、 冷却系统和冷却系统壳体1602，通过多个支撑杆在腔体内机械支撑超导绕组、绕组壳体、冷却系统和冷却系统壳体1603，以及利用介电材料层隔离支撑杆1604。在如图17中所示的另一个实施例中，用于隔离、支撑和绝缘超导绕组、绕组壳体、 冷却系统和冷却系统壳体的步骤1700包括通过提供包围支撑结构的一个或多个介电层将超导线圈与其最外面的容器电隔离1701，利用介电材料层电隔离超导绕组、绕组壳体、冷却系统和冷却系统壳体1702，以及利用介电材料层隔离支撑杆1703。在某些方面，支撑结构可以是支撑杆。在其它各个方面，腔体可以包括一个或多个介电层以形成支撑结构。在如图18中所示的另一个实施例中，用于超导绕组、绕组壳体、冷却系统和冷却系统壳体的三-隔离的步骤1800包括机械支撑一个或多个超导绕组、绕组壳体和冷却系统1801，电隔离超导绕组、绕组壳体和冷却系统的步骤1802，以及热隔离一个或多个超导磁线圈1803。在如图19中所示的实施例中，图10的步骤还包括通过一个或多个中空柱来结构支撑绕组壳体1904。在某些方面，该方法可以利用包括供给管道可以通过其的腔的结构元件。在如图20中所示的其它各个方面，此方法还可以包括按任意顺序的用于隔离包括由上半部分和下半部分组成的电介质的环形部分的一个或多个层元件的步骤。在如图21中的流程中所示的其它各个方面，除了图20中所示的步骤，本方法还可以包括提供用于利用环氧溶液处理纤维的方法2105。在如图22中所示的其它各个方面，除了图20中的步骤，此方法可以变化地包括利用硅酸盐氢氧化物处理纤维的步骤2205。最后，如图23中所示，提供了一个可选的实施例，其中包括热绝缘一个或多个超导磁线圈的步骤，其中在外层与介电层之间提供了辐射屏蔽层2303。此外，此方法也可以包括按任意顺序的步骤机械支撑一个或多个超导绕组、绕组壳体和冷却系统2301，以及电隔离超导绕组、绕组壳体和冷去系统2302。
在如图M中所示的另一个实施例中，除了图18中所示的按任意顺序的步骤外，一种方法包括以下步骤提供一个或多个真空冲击的金属化的编织的聚合织物包覆层，该包覆层与包含高反射率、低热传导率材料的挠性低密度基于硅石的热绝缘层耦合。在另一个实施例中，用具有三层的超导磁线圈配置设备。第一层由高K介电材料制成。第二层由真空冲击的织物包覆制成，该包覆提供一个或多个真空冲击的金属化的编织的聚合织物包覆层，该包覆层与包含高反射率和低热传导率材料的挠性低密度基于硅石的热绝缘层耦合。第三层由热绝缘制成。该设备的超导磁线圈可以具有高K介电材料层， 该层包括在铜基体中甚至由多个编织的丝和附加接合材料组成的较大电缆中包含的单独的丝。优选地，此设备实施例的另一个备选具有管中电缆卢瑟福电缆的绕组。这些电缆具有编织在中心铜通道周围的铜基体中的超导丝。这些外部电缆被绝缘材料、真空冲击的金属化的编织的聚合织物包覆层和热绝缘层覆盖。在另一个实施例中，提供的设备具有由包括固定在线圈绕组上的上半部分和下半部分的不锈钢环形容器构成的绕组支撑结构。在其它各个方面，设备也可以具有耦合到下半部分上的多个电源线的一个或多个孔，其中一个或多个电缆被180度分开。在某些方面， 它也具有与电缆孔同轴的装配板。最终，实施例的另一个方面包括与第一对柱90度偏移的一个或多个附加柱，而柱沿一个或多个线圈半径向下延伸。在本实施例的此方面的其它各个方面，绕组支撑结构具有保持在高真空下的金属化尼龙的一个或多个包围层；由气密的金属腔包围的一个或多个层；附加热绝缘层；以及包覆在片中且通过高强度纤维固定在一起的一个或多个纳米孔凝胶体的片。在另一个实施例中，绕组支撑容纳在真空腔体内并提供内部真空以使包围绕组的内结构元件被密封。此外，绕组支撑结构具有冷却系统。绕组支撑结构的冷却系统可以具有高介电特性。绕组支撑结构可以具有其中介电冷却剂可以泵抽的通道。通道要被蚀刻进入固体介电层的外部。绕组支撑结构可以具有由提供介电冷却剂给线圈头并通过内部支撑柱的中空部分的介电材料组成的管道。绕组支撑结构也可以包括遵循围绕外部金属化层的磁场线的轮廓(contour)的次半径横截面。优选地，绕组支撑结构可以具有拥有微呈椭圆形的次半径横截面的线圈。在一个实施例中，容纳在组件中的超导线圈提供了低温冷却、结构支撑、和与周围介质的高势电隔离。电隔离由高K介电陶瓷、玻璃或聚合物构成，以使的最外金属层可以相对线圈绕组保持在高电势差下。与基于硅石的“气凝胶”覆层结合在一起的真空冲击的聚脂薄膜包覆提供了具有极其低热传导率的热隔离。最内层由用于线圈自身的结构支撑构成， 该结构支撑同时还可作为用于有效泵抽低温冷却剂的液流通道。接下来通过三个或更多柱支撑环形线圈头组件，以提供重力支撑。这些柱是中空的，以提供可以通过低温冷却剂和电源管道通过的腔。与环形线圈头相反，柱的最外层是厚的介电而非金属。如果线圈头的外部要经受高热通量，那么可以引入附加的近室温冷却系统。该系统具有介电材料的冷却剂和供给线，以使线圈头的外部即使与冷却剂接触仍可以保持在高电势下，而没有内部电弧放电的风险。在本发明的另一个实施例中，超导绕组在圆形横截面中放射状缠绕，以提供偶极磁场。绕组本身具有铜基体中的单独的超导丝，或者具有由多个编制的丝和附加的铜接合剂组成的较大电缆。超导丝可以是高温(HTSC)或低温(LTSC)类型的。由于HTSC绕组的
17临界温度更高，HTSC超导体可以优选在实施例中经受更热的气流，从而可降低冷却它们所需的输入功率。然而，在更高冷却功率需求的代价下，LTSC绕组拥有在辐射效应下耐久性的优点。在LTSC和HTSC丝的情况下，本发明的优选实施例使用管中电缆卢瑟福类型电缆的绕组，其中铜基体中的超导丝缠绕在中心铜通道的周围。此通道被所希望的低温冷却剂填充，并被有效泵抽以提供强制冷却。可能的冷却剂包括各种流体，其中包括液氦、液氮、液氢和超临界的气体，以及许多诸如此类的流体。这些电缆的外部被例如聚酰胺的耐用的电绝缘体覆盖。其它实施例包括被外部泵抽的低温冷却剂冷却的固体绕组，而绕组通过闭路循环的制冷机经由传导直接被冷却。在另一个实施例中，根据特定应用的需要，完成的磁体绕组接下来可以在真空浸渍下与环氧树脂结合在一起，或者再次被聚酰胺包覆。在前面提及的实施例中，此元件为环形(圆环形的)，具有延伸几个线圈半径的内部冷却的卢瑟福类型电缆的正和负导线，以使电能和冷却剂流可以提供给绕组。在另一方面，在绕组的外部上，下一层由绕组支撑结构构成。在一个实施例中，这由上半部分和下半部分构成的不锈钢环形容器组成，它被围绕线圈绕组栓接或焊接在一起。底下半部分上的两个小孔允许用于通过供给导线(冷却剂和电源)。在优选实施例中， 这两个电缆被180度分离。与这些电缆孔同轴的是用于支撑柱的装配板，而且一对附加的柱偏离第一对90度。支撑柱的内部结构元件附接在这里，而且沿一定数目的线圈的半径向下延伸。在某些方面，围绕钢制支撑结构，可以有多层金属化的尼龙(聚脂薄膜)。这些要被保持在高真空下，由此提供热绝缘特性。在一个实施例中，该层被气密的金属腔包围，以使该区域可以被排空到高真空。在另一个实施例中，组件可以设计为被收纳在真空腔体内， 并需要用于提供内部真空的准备。注意，在此实施例中，围绕绕组的内部结构元件是密封的，以使少量的冷却剂泄漏不会破坏真空。在其它各个方面，聚脂薄膜层被附加的例如极高R值的泡沫塑料或“气凝胶”类型的基于硅石的覆层的热绝缘层包围。优选的实施例利用挠性极低密度纳米凝胶体的片，如美国专利#20070173157中所述。这些可以被包覆在片中，而且被例如Dyeema或Kevlar的高强度纤维固定在适当位置上。在另一个实施例中，围绕热绝缘层，存在被设计为用于电隔离的元件。这些由上半部分和下半部分或挠性电介质的多层包覆构成的电介质的环形部分组成。对于最大电隔离，一个实施例由熔融硅石(低金属含量的玻璃)的两个半部分组成。这些半部分可以通过多种方法接合在一起，包括将两个半部分熔化和压力焊接到一起。如果采用该方法，在超导材料对高温特别敏感时，要特别当心，以免损坏内部线圈绕组。在该处理期间，用低温冷却剂填充冷却剂腔是一种用于最小化绕组的热退化的机会的方法。用于接合介电部分的另一种方法包括在氢氧化物溶液中的硅酸盐的溶解。在另一个实施例中，该溶液可被施加到界面，而且经过溶液固体的蒸发，一种固体硅酸盐结合物将保留。另一个实施例可使用将挠性玻璃纤维围绕环形部分缠绕至所需厚度，并接着用环氧树脂或硅酸盐-氢氧化物溶液处理，以密封任何小孔或洞。附加的实施例可以使用基于环氧树脂的电介质、陶瓷、或聚合物。当聚合物和环氧树脂在加热时趋于出气和退化时，硅石和陶瓷优选用于高温和真空的应用。
在另一个实施例中，线圈头的外层为刚性金属元件，被设计为抵抗各种波长的电磁波的影响。无线电、红外线和X射线，以及中间的波长将被该层大量吸收。抛光外表面将导致增加反射的电磁辐射的量，并增加其黑体发射率，由此加速冷却。在另一个实施例中，如果外层上的电磁或对流的热负载较高，那么需要另一个实施例，将需要包括一个附加的冷却系统。为了保持线圈头的外壳和地之间的电隔离，此冷却剂必须本身具有很强的介电特性。高度精炼的矿物油、氟化碳氢化合物，以及基于硅氧烷的商用变压器流体都可以满足这些需求。优选基于硅氧烷基油，因为它们不具有像矿物油一样的燃烧的风险。外部金属元件可以包括其中介电冷却剂可以被泵抽的小通道，或者通道可以被蚀刻进入固体介电层外部，以沿金属-电介质界面提供冷却。对于该实施例，必须注意固体介电材料不会与介电流体发生不利的反应，像氟化碳氢化合物和某些聚合物的情况一样。给线圈头提供介电冷却剂的管道向下通过支撑柱的中空部分，具体地讲，就是这些管道不会容纳超导电缆导线。此管道也必须由介电材料构成，以避免与处于地电势的泵抽系统电导通。在另一个实施例中，如果希望高通量的例如中子或伽马射线的中性粒子辐射，该设计可并入在外部容器和介电层之间的辐射屏蔽层。这只可以在大装置上实践，其中线圈的次半径超过10cm。该辐射屏蔽可以是类似铅的致密金属的形式，或者是硼化碳-合成物片。在实施例中，在高通量的带电粒子的情况下，使外部金属层的形状与磁场线共形是有益的。这不仅降低了装置上的机械应力，而且更重要地是它通过限制场线(场线是带电粒子回转运动的导向中心)终止在金属表面上的程度降低了带电粒子的冲击。对于单个隔离的线圈，优选的次半径横截面是略微椭圆形的，具有面向里朝向线圈的轴的平坦侧面。 对于线圈阵列或在外部磁场的存在时，横截面的几何结构将响应地变化。如上简述，线圈头由多个支撑柱支撑，其内部结构元件是中空的，以提供用于要通过的支撑电缆和导管的通道。该元件被与在线圈头上出现的热绝缘和介电层相似厚度的热绝缘层和介电覆盖。然而，不存在外金属层，这允许线圈头上的金属容器与组件的其余部分完全电隔离。柱被附接到一对结合热绝缘的套管和伸缩接头的支撑环上。这阻止了过度的热被导向内部线圈绕组。下环被附接到用作结构基础以及将组件接附到所需位置的装置的装配板上。基于在此提供的公开和教导，本领域内的普通技术人员将意识到用于实施各个实施例的其它方式和/或方法。因此，说明和附图应被认为是示例性的而非限制的意思。然而，显然，可以在不脱离如权利要求中所阐明的本发明的更广泛的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和改变。
19
权利要求
1.一种提供一个或多个超导磁体的电绝缘和机械支撑的方法，包括以下步骤用一个或多个介电材料层包裹所述一个或多个超导磁体并用一个或多个导电材料层包裹所述一个或多个介电材料层，所述一个或多个介电材料层共同具有比(1)和(2)的商大的介电强度，其中⑴是⑴和(ii)之间的最大电势差(电压)，其中⑴为所述一个或多个超导磁体；而(ii)为包裹了包裹所述一个或多个超导磁体的所述一个或多个介电材料层的所述一个或多个导电材料层；并且(2)为所述一个或多个介电材料层的共同厚度； 以及为所述一个或多个超导磁体提供机械支撑，其中每个磁体与支撑所述一个或多个超导磁体的结构的表面保持一定距离，以使(3)和(4)之间的最短距离大于(5)和(6)的商，其中(3)为所述一个或多个导电材料层的最外表面；(4)为支撑所述一个或多个超导磁体的所述结构的所述表面；(5)为⑴和(ii)之间的最大电势差(电压)，其中⑴为所述一个或多个超导磁体；而(ii)为包裹了包裹所述一个或多个超导磁体的所述一个或多个介电材料层的所述一个或多个导电材料层；以及(6)为(3)和(4)之间的介质(插入物质)的有效介电强度。
2.根据权利要求1的方法，还包括通过一个或多个磁体支撑装置将每个超导磁体连接到支撑所述一个或多个超导磁体的所述支撑结构，其中一个或多个所述磁体支撑装置是导电的磁体支撑装置，而且其中一个或多个所述磁体支撑装置是中空的，允许一个或多个供给管道通过一个或多个中空的区域；以及通过用一个或多个介电材料层包裹所述导电的磁体支撑装置以电绝缘所述导电的磁体支撑装置，包裹所述一个或多个导电的磁体支撑装置的所述一个或多个介电材料层共同具有比(7)和⑶的商大的介电强度，其中(7)是⑴和(ii)之间的最大电势差(电压)， 其中(i)为所述一个或多个超导磁体；而(ii)为包裹了包裹所述一个或多个超导磁体的所述一个或多个介电材料层的所述一个或多个导电材料层；而(8)为包裹所述一个或多个导电的磁体支撑装置的所述一个或多个介电材料层的共同厚度。
3.根据权利要求1的方法，其中每个超导磁体被通过一个或多个磁体支撑装置连接到支撑所述一个或多个超导磁体的所述支撑结构，其中一个或多个所述磁体支撑装置是介电磁体支撑装置，以及其中一个或多个所述磁体支撑装置为中空的，允许一个或多个供给管道通过一个或多个中空的区域。
4.根据权利要求1的方法，还包括将第一组的一个或多个超导磁体连接到第二组的一个或多个超导磁体，形成超导磁体的连接的组，所述超导磁体的组与一个或多个连接装置连接，其中所述连接装置由从由第一材料和第二材料构成的组中选择的材料组成，所述第一材料全部由一个或多个介电材料层组成而所述第二材料由被一个或多个介电材料层包裹的一个或多个导电材料层组成；以及，通过一个或多个磁体组支撑装置将所述超导磁体的组连接到支撑所述超导磁体组的支撑结构，其中一个或多个所述磁体组支撑装置是中空的，允许一个或多个供给管道通过一个或多个中空的区域，以及其中所述磁体组支撑装置由从由第一材料和第二材料构成的组中选择的材料组成，所述第一材料全部由一个或多个介电材料层组成而所述第二材料由被一个或多个介电材料层包裹的一个或多个导电材料层组成。
5.根据权利要求1的方法，还包括通过用从由导电材料和介电材料构成的组中选择的材料的一个或多个部件包裹所述一个或多个超导线圈绕组，为所述一个或多个超导磁体内的一个或多个超导线圈绕组提供机械支撑，所述一个或多个部件提供用于所述一个或多个超导线圈绕组的一个或多个绕组支撑结构，其中所述绕组支撑结构还提供用于一个或多个所述超导线圈绕组的一个或多个流动通道，允许泵抽的冷却剂来冷却一个或多个所述超导线圈绕组；以及通过一个或多个磁体支撑装置将所述一个或多个绕组支撑结构连接到支撑所述一个或多个超导磁体的所述支撑结构，其中所述磁体支撑装置由从由导电材料和介电材料构成的组中选择的材料组成。
6.根据权利要求1的方法，还包括通过用从由导电材料和介电材料构成的所述组中选择的材料的一个或多个部件包裹所述一个或多个超导线圈绕组，为所述一个或多个超导磁体内的一个或多个超导线圈绕组提供机械支撑，所述一个或多个部件提供用于所述一个或多个超导线圈绕组的一个或多个绕组支撑结构；通过在超导电缆内具有一个或多个中空区域的一圈或多圈管中电缆超导电缆构建一个或多个所述超导线圈绕组；以及用通过所述超导电缆内的一个或多个所述中空区域而泵抽的冷却剂冷却一个或多个所述超导线圈绕组。
7.一种支撑一个或多个超导磁体的方法，包括以下步骤以比离支撑所述一个或多个超导磁体的结构的最近的表面远20厘米的距离通过一个或多个磁体支撑装置来机械隔离、并支撑一个或多个所述超导磁体。通过用一个或多个介电层包裹一个或多个超导磁体并用一个或多个导电层包裹所述一个或多个介电层，将所述一个或多个超导磁体与高电场电隔离，所述一个或多个超导磁体具有一个或多个超导绕组、允许所述一个或多个超导绕组被供给冷却剂的一个或多个部件、用于所述一个或多个超导绕组并用于允许所述一个或多个超导绕组被供给冷却剂的所述一个或多个部件的一个或多个支撑结构、以及一个或多个热绝缘层；以及
8.根据权利要求7的方法，还包括通过提供允许在所述一个或多个导电层和所述一个或多个介电层之间供给介电冷却剂的一个或多个介电部件件，将一个或多个电和机械隔离的超导磁体与高热热隔离。
9.根据权利要求7的方法，还包括在用于所述一个或多个超导绕组并用于允许所述一个或多个超导绕组被供给冷却剂的一个或多个部件的所述一个或多个支撑结构周围包覆挠性纤维；以及用从环氧树脂溶液和硅酸盐氢氧化物溶液的组中选择的溶液处理所述纤维。
10.根据权利要求7的方法，其中热绝缘一个或多个超导磁线圈还包括在最外的导电层和所述一个或多个介电层之间并入辐射屏蔽层的步骤。
11.一种超导线圈绕组支撑结构装置，包括上半部分，包括从导电材料和介电材料构成的所述组中选择的材料的一个或多个层；下半部分，包括从导电材料和介电材料构成的所述组中选择的材料的一个或多个层，所述下半部分与所述上半部分耦合；一个或多个磁体支撑装置，耦合到所述上半部分和下半部分，所述上半部分和下半部分二等分包围一个或多个超导线圈绕组；以及一个或多个超导磁体，包裹所述一个或多个电隔离的超导线圈绕组。
12.根据权利要求11的装置，还包括用于有效泵抽冷却剂以冷却所述线圈绕组的一个或多个流动通道。
13.根据权利要求11的装置，还包括耦合到所述下半部分上的多个供给导线的一个或多个孔； 与所述电缆孔同轴的装配板；以及从第一对柱偏移的一个或多个附加柱，其中所述柱沿一个或多个线圈半径向下延伸。
14.一个或多个机械和电隔离的超导磁体设备，包括由一圈或多圈的一种或多种超导材料组成的一个或多个超导磁体线圈； 用于所述线圈的一个或多个冷却系统；用于所述线圈和所述第一冷却系统的一个或多个支撑结构，其中一个或多个所述支撑结构为壳体；用于所述第一冷却系统和所述结构的一个或多个热绝缘层； 围绕所述绝缘或所述结构的一个或多个介电层；围绕所述介电层的一个或多个导电层，其中所述导电层是所述磁线圈头容器的最外层，与所述低温容器及其中的部件隔离；与其中并入的辐射屏蔽流体结合的一个或多个近室温第二冷却系统；以及一个或多个磁体支撑装置。
15.根据权利要求14的设备，还包括管中电缆卢瑟福电缆的超导绕组，其中所述电缆的外部被电绝缘材料覆盖。
16.根据权利要求15的设备，还包括围绕中心通道编织的超导线，其中所述电缆的所述外部被电绝缘材料覆盖。
17.根据权利要求11的绕组支撑结构，还包括保持在高真空下的一个或多个金属化尼龙的包围层； 被气密的金属腔围绕的一个或多个层； 附加的热绝缘层；以及被包裹在片中并通过高强度纤维固定在一起的纳米孔凝胶体的一个或多个挠性片。
18.根据权利要求11的绕组支撑结构，还包括允许绕组保持在真空下的绕组支撑结构的密封的、内部结构元件。
19.根据权利要求11的绕组支撑结构，还包括其中泵抽介电冷却剂的通道。
20.根据权利要求11的绕组支撑结构，还包括蚀刻进入固体介电层的外部的通道。
21.根据权利要求11的绕组支撑结构，还包括由介电材料组成的管道系统，其中介电冷却剂流过所述管道系统到达所述线圈头并流过一个或多个支撑装置的一个或多个中空的部分。
22.根据权利要求14的电隔离的超导磁体，还包括具有这样的几何结构和定位的一个或多个超导磁体线圈，该几何结构和定位使由所述一个或多个线圈产生的磁场线遵循所述最外的导电线圈头容器的轮廓。
23.根据权利要求14的电隔离的超导磁体，还包括具有基本上呈椭圆形的次半径横截面的线圈。
24.一种电隔离的超导磁体系统，包括超导磁体组件，包括一个或多个磁体线圈、第一冷却系统、第一冷却系统容器、一个或多个热绝缘层和一个或多个介电层；与其中并入的辐射屏蔽流体结合的近室温第二冷却系统；最外层的导电容器，与所述第一冷却系统容器及其中的部件隔离；用于超导磁体组件的支撑结构；传导电流的超导线圈绕组；用于冷却所述超导线圈绕组的循环的流体；耦合到最外层的导电的线圈头容器的高压电源；以及电连接到持续电流开关和所述超导线圈绕组的低压电源。
全文摘要
一种超导磁体线圈的电、机械和热隔离的方法和设备的方法包括用于其中在内部超导绕组与装置的外部之间可能存在103V到106V量级的大电势差的环境的超导磁体。所述方法和设备也包括绝缘、冷却和结构元件，以使所述装置的内部能够维持超导性所需的低温，即使在整个绕组壳体上存在高热通量入射。最后，一种装置包括用于支撑以抵抗重力和其它施加在组件上的力的结构元件，所述力包括膨胀接合和用于最小化由温度梯度导致的扭曲或弯曲的稳定化。这些支撑包括用于提供电力、低温冷却剂和其它到磁体头的供给线的装备，同时还隔离了热和电影响。
文档编号H01F6/06GK102349119SQ200980147205
公开日2012年2月8日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年9月27日
发明者丹尼尔·贝特曼, 德夫林·贝克 申请人:磁静电约束公司