一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却超导磁体的制作方法

本发明属于超导磁体技术领域，特别涉及一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却超导磁体。

背景技术：

超导技术是制备强磁场的重要方法，与现代科学的发展息息相关。在超强磁场下，物质的结构和状态可能出现重大的变化，对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要作用。

近年来ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层导体的制备技术取得了重大进展。ReBCO涂层导体有着很高的临界电流密度，在低温和强磁场下也能保持良好的性能。由ReBCO涂层导体制造的高温超导体可靠性高、成本低廉、柔性强度好以及交流损耗低，在实际中广泛应用。

高温超导磁体通常采用浸泡冷却，冷却介质一般为液氮或液氦，冷却成本很高。超导磁体采用电流引线的方式供电，电流引线是从室温连接至低温，传热功率很大，同时电流引线通电时产生的焦耳热也会成为附加热源，从而提高了制冷系统的运行成本。另外，超导材料的接头焊接技术发展不成熟，接头电阻也是超导磁体系统中难以克服的问题。以及，由于高温超导体的n值较小，磁场衰减较为明显。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供了一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却超导磁体。

该传导冷却超导磁体：

基于ReBCO涂层的超导片为圆环片状结构；冷却片为在圆环片状结构的侧面设有连接头，用以与制冷机连接；并在冷却片上沿径向设有切缝，以避免产生涡流；且冷却片的圆环片状结构和超导片的圆环片状结构的内径和外径均相同；N+1片冷却片和N片超导片交替布置形成传导冷却超导磁体，N为正整数；

所述冷却片与超导片之间绝缘；

所有超导片的堆叠方向一致；

在传导冷却超导磁体上下加法兰，上下法兰之间通过绝缘拉杆连接固定。

所述超导片是在衬底上依次制备缓冲层、ReBCO涂层、保护层获得；

所述衬底为Ni片、NiW片、哈氏合金片或不锈钢片；

所述缓冲层为绝缘性的金属氧化物；

所述保护层为铜薄膜层或银薄膜层。

所述冷却片为在导热片的上下表面涂有绝缘层获得，所述导热片为铜片或铝片。

一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却超导磁体的应用：

将冷却片侧面的连接头软连接至G-M制冷机的冷却板，G-M制冷机产生的冷量通过冷却片传导冷却超导片，进行调节传导冷却超导磁体的温度；

将空心螺管线圈同心同轴地置入超导磁体的中心圆孔内，向空心螺管线圈通入交变电流，交变电流上升沿时间不等于下降沿时间，在超导片中感应出净超导电流，通过周期性地泵入电流，使传导冷却超导磁体的电流不断增大至期望值，此时切断交变电流，传导冷却超导磁体的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场；当传导冷却超导磁体的电流衰减时，重新接通交变电流进行补偿；所述空心螺管线圈的外径小于超导片和冷却片的内径，轴向长度大于冷却超导磁体的轴向长度。

本发明的有益效果为：

本发明通过结合高温超导ReBCO涂层导体、G-M制冷机和磁通泵三者的优点，应用到高温超导磁体的设计中，为高磁场强度的制备提供新途径。

本发明突破超导带材绕制的超导双饼的思维定势，设计为超导片的结构，超导片与冷却片交互堆叠得到的传导冷却超导磁体结构简单、紧凑，无弯曲半径限制，大大简化了加工工艺；特别是采用超导片结构不涉及超导材料的接头焊接，因此不存在接头电阻的问题，减少超导磁体的热能损耗。

本发明的传导冷却超导磁体由G-M制冷机来提供低温环境，在相邻的超导片之间加入冷却片，将冷却片与G-M制冷机的传导冷却板相连，利用G-M制冷机传导冷却每一片超导片，进而冷却整个磁体，提高超导磁体冷却效率。G-M制冷机一级冷头冷却的铜屏取代液氮冷屏，省去了传统高温超导磁体中的液氮或液氦容器，相比价格高昂的低温介质，大大降低了冷却的成本。本发明的传导冷却超导磁体在77K～4.2K的温度范围内可调，调节温度范围广。

本发明使用磁通泵技术解决了高温超导闭环磁体系统中磁场衰减的问题。磁通泵通过电磁感应的方法在超导磁体内感应出电流，无需电流引线和焊接，既简化了超导磁体的结构，又降低了磁体的热损耗。由于磁通泵引线没有与超导磁体直接接触，大大减小了引线带来的热桥效应；由于超导磁体的零电阻效应，只需要很小的供电功率就可以输出很大的电流，从而节省昂贵的超导电源费用；磁通泵方便调节，便于在超导磁体电流衰减时的补偿。

本发明具有成本低、效率高、操作简便的优点。

附图说明

图1为超导片的加工过程示意图；其中，a-1为方形片状衬底半成品的主视图，a-2为方形片状衬底半成品的剖视图；b-1为衬底的主视图，b-2为衬底的剖视图；c-1为衬底上沉积缓冲层后的主视图，c-2为衬底上沉积缓冲层后的剖视图；d-1为超导片的主视图；d-2为超导片的剖视图。

图2为冷却片的示意图；其中，a为主视图，b为剖视图。

图3为一种基于ReBCO涂层导体片的传导冷却超导磁体的示意图。

图4中a为采用磁通泵技术为一种基于ReBCO涂层导体片的传导冷却超导磁体励磁的示意图；b为泵入磁通泵的交变电流示意图。

以上所述剖视图均为沿中轴线方向的剖视图。

标号说明：1-衬底，2-缓冲层，3-ReBCO涂层，4-保护层，5-导热片，6-绝缘层，7-超导片，8-冷却片，9-法兰，10-绝缘拉杆，11-法兰定位孔，12-连接头，13-连接头定位孔，14-冷却板，15-一级冷头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

首先制备超导片7和冷却片8，如下：

1、基于ReBCO涂层的超导片7的加工流程如图1所示。

(1)衬底1的材料采用但不限于Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢，首先制作出如图1a-1和图1a-2所示的方形片状衬底半成品；

(2)将方形片状衬底半成品切割成内半径为r2、外半径为r1的圆环片状，制得如图1b-1和图1b-2所示的衬底1；

(3)采用离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)等工艺，在衬底1上沉积缓冲层2，如图1c-1和图1c-2所示；缓冲层2一般采用绝缘性的金属氧化物，包括但不限于Y₂O₃、YSZ、CeO₂或YSZ；

(4)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)等工艺在缓冲层2上镀上ReBCO涂层3，接着在ReBCO涂层3上镀银或铜薄膜作为保护层4，得到内半径为r2、外半径为r1的圆环片状的超导片7，如图1d-1和图1d-2所示。

冷却片8的加工流程如图2所示。

冷却片8中的导热片5采用热导率高的片状材料，包括但不限于铜片、铝片。如图2所示，冷却片8中，圆环片状结构和连接头12为一体加工成型。首先，将导热片5加工成内半径为r2、外半径为r1的圆环片状结构，并在圆环片状结构的侧面伸出一个长度为a、宽度为b的矩形连接头12；在圆环片状结构上，位于连接头12的相对位置开一个宽度为c的切缝，且切缝的中轴线与连接头12的中轴线重合；切缝能够防止冷却片8因在外磁场作用下产生涡流而降低冷却效果。然后在导热片5的上下表面涂覆绝缘层6，以实现冷却片8与超导片7间的绝缘。绝缘层6可以采用绝缘漆，包括但不限于聚酰亚胺。最后在连接头12上打四个半径为r3的连接头定位孔13。

将冷却片8和超导片7交替布置形成传导冷却超导磁体，保证传导冷却超导磁体中，各圆环结构上下对齐；所有冷却片8的切缝上下对准，连接头12上下一致；以及所有超导片7的堆叠方向一致，即超导片7有ReBCO涂层3的一面均朝上或均朝下。以下通过一个具体实施流程进行说明：

(1)放置好第一片冷却片8，将第一片超导片7有ReBCO涂层3的一面朝上，堆叠在第一片冷却片8上面；接着将第二片冷却片8堆叠在第一片超导片8上面，将第二片超导片7有ReBCO涂层3的一面朝上，堆叠在第二片冷却片8上面；然后将第三片冷却片8堆叠在第二片超导片7上面，将第三片超导片7有ReBCO涂层3的一面朝上，堆叠在第三片冷却片8上面；以此类推，进行多层冷却片8与超导片7的交互堆叠，最后将一片冷却片8堆叠在顶部，堆叠完毕，得到传导冷却超导磁体。堆叠时，保证各圆环上下对齐；所有冷却片8的切缝上下对准，连接头12上下一致。对于冷却片8与超导片7之间可能存在的缝隙，将掺有氮化铝粉(AlN)的环氧材料填充并压实在缝隙中，以改善冷却效果。

(2)堆叠完毕后，上下加法兰9固定，法兰9的内半径为r2，外半径大于r1；法兰9上，在超出半径为r1的圆的区域均匀开三个半径为r4的法兰定位孔11。上下法兰9的中心孔与超导片7和冷却片8对齐，且上下法兰定位孔11上下对准。三根绝缘拉杆10的上下两端分别穿过上下对应的法兰定位孔11，并通过螺栓固定，将多层超导片7和冷却片8堆叠结构的传导冷却超导磁体夹紧固定。

(3)将每片冷却片8的连接头12向上折叠90°到同一平面上，并使各连接头12上的连接头定位孔13相对准，便于连接至制冷机。

如图3所示为一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却超导磁体，从下至上按照“冷却片8、超导片7、冷却片8、超导片7、冷却片8、超导片7、冷却片8”的顺序，进行多片超导片7和冷却片8的交互堆叠，得到传导冷却超导磁体。采用软连接的方法将连接头12连接到G-M制冷机的冷却板14，G-M制冷机的一级冷头15与冷却板14连接，G-M制冷机产生的冷量通过冷却片8传导冷却超导片7，进行调节传导冷却超导磁体的温度，提高冷却效率。

本发明采用磁通泵技术向传导冷却超导磁体供电。如图4a所示，将空心螺管线圈同心同轴地置入传导冷却超导磁体的中心圆孔内，所述空心螺管线圈的外半径略小于超导片7和冷却片8的内半径r2，轴向长度大于冷却超导磁体的轴向长度。空心螺管线圈相当于变压器原边绕组，传导冷却超导磁体中的超导片7相当于副边绕组。向空心螺管线圈通入交变电流i1，控制电流频率，利用电磁感应使超导片7感应出电流进而产生磁场。交变电流i1的上升沿时间小于下降沿时间，电流波形不限，可以采用如图4b所示的三角波形，其OA的斜率大于AB的斜率，即电流上升速率大于下降速率。在交变电流i1上升过程中(图4b中OA段)，各个超导片7流过大小相等、逆时针方向的感应电流；在交变电流i1下降过程中(图4b中AB段)，各个超导片7流过大小相等、顺时针方向的感应电流。虽然交变电流i1下降过程中产生的磁通相反，但不足以抵消交变电流i1上升过程中产生的磁通量，从而在超导片7中感应出逆时针方向的净超导电流i2。通过周期性地泵入交变电流i1，使传导冷却超导磁体的电流不断增大至期望值，此时切断交变电流i1，超导片7的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场。当超导片的电流衰减时，重新接通交变电流i1进行补偿。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的举例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。