一种基于ReBCO涂层导体片的传导冷却磁体的制作方法

本发明属于超导磁体应用领域，特别涉及一种基于ReBCO涂层导体片的传导冷却磁体。

背景技术：

随着高温超导生产技术的发展，具有高电流密度的ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层导体的制备技术得到提高，并将其应用于高温超导磁体的制造技术中。目前实用的高温超导线材都是带状，因此高温超导磁体常用超导带材绕制成双饼式或螺管式结构，而传导冷却磁体是由超导片(ReBCO涂层导体片)、冷却片堆叠构成。

高温超导磁体的冷却常用的是浸泡冷却，浸泡冷却的介质一般为液氮或液氦，液氮冷却温度一般为77K，液氦冷却温度一般为4.2K，然而在低温4.2K以下，液氦冷却的成本很高。目前在很多应用领域，传导冷却磁体已经或正在取代浸泡冷却磁体，传导冷去磁体可以实现不同冷却温度的要求，在77K～4.2K的范围内温度可调节。与液氦浸泡超导磁体系统比较，传导冷却超导磁体系统的优点在于高温超导磁体所需的低温环境不再使用液氦而是由G‐M制冷机来完成，其所用杜瓦容器的结构也变的简单多了，省去了液氦容器，液氮容器，液氮冷屏也被由制冷机一级冷头冷却的铜屏所取代。故此，解决背景技术中所述的高温超导磁体在高温下的磁场冷却问题，进一步提高高温磁体冷却的效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却磁体，其特征在于，所述传导冷却磁体为圆柱体型，包括超导引线片、冷却片、超导片、法兰和定位拉杆；其中相邻的冷却片之间插入超导片，然后各超导片依次焊接，将超导片和冷却片依次进行堆叠，冷却片的连接头方向始终与电流引线端相对，相邻超导片的焊接位置为冷却片的切口位置；依此类推，一片片依次堆叠超导片和冷却片，最后上下两端各焊接一个超导引线片，并加法兰固定，上述各片的定位孔的位置及直径相同；但是切口位置不一样；三根定位拉杆穿过定位孔，将上述各片固定在一起；各冷却片的矩形连接头连接制冷机，形成传导冷却磁体；所述冷却片的圆环部位的材料结构具有裸铜或裸铜合金片、或在其裸铜或裸铜合金圆环上下表面涂绝缘层、或在其裸铜或裸铜合金圆环的一面涂绝缘层，另一面不涂绝缘层的三种结构，提出传导冷却磁体的三种结构方案。

所述超导片采用与第二代高温超导涂层相同的衬底材料制作出方形的片状衬底；按照尺寸将方形的片状衬底切割成内外半径不同的圆环片状，并对称开定位孔，沿径向开切口，切口位置与超导片间的焊接角度相关，不同超导片的切口位置不同；接着采用现成的第二代高温超导缓冲层制备工艺在圆环上沉积缓冲层；然后在缓冲层上采用现成的第二代高温超导薄膜涂层技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，接着镀银、铜薄膜保护层，以此形成具有圆环片状的超导片；其中衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金板材料或不锈钢材料；所述第二代高温超导缓冲层制备工艺为现有的离子束辅助沉积技术(IBAD)或倾斜基底沉积(ISD)技术；所述第二代高温超导薄膜涂层技术为现有的金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法。

所述绝缘片采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片；绝缘片的大小与超导片相同，同样地，也在绝缘片上打有和超导片一样的中心孔、定位孔；绝缘片表面切口10。

所述冷却片为内外半径与超导片一样的圆环片状结构，且在圆环的外侧一端伸出矩形连接头，连接头的方向与磁体的电流引线端的相对，每片的矩形连接头距离圆环外侧的长度不同；冷却片表面沿半径方向切口10，切口位置与相邻超导片的切口位置相同，每一片冷却片的切口10位置不同，切口的角度以为相邻超导片的焊接留出一定的位置为准；在冷却片的圆环表面对称打定位孔，定位孔的尺寸与超导片上定位孔的尺寸相同，在冷却片的连接头部位打定位连接孔，采用软连接的方法(铜导冷编织带)，将冷却片的连接头连接制冷机冷却板。

所述超导引线片为内外半径与超导片一样的圆环片状结构，制作工艺与超导片相同，且在圆环部分的外侧一端伸出矩形端，焊接电源引线，其中，在衬底1上沉积缓冲层1‐3；然后在缓冲层上镀上ReBCO薄膜1‐2，接着镀银、铜薄膜保护层1‐1。

一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却磁体，其特征在于，所述传导冷却磁体的冷却片圆环部分采用上下表面涂有绝缘层的铜或铜合金片(方案1)；该传导冷却磁体的具体结构：首先将第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面朝下，再将第一片冷却片2堆叠在第一超导引线片1下面，第一冷却片2的切口的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口，第一冷却片的连接头方向与第一超导引线片1电流引线端相对，再将第一超导片3堆叠在第一片冷却片2的下面，第一超导片3有ReBCO涂层的一面朝上，对准第一冷却片2切口的另一边，将第一超导片3有ReBCO涂层的一面与第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面焊接，焊接位置为第一冷却片2的切口位置；接着将第二冷却片4堆叠在第一超导片3的下面，第二冷却片4的切口的一边对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二超导片5堆叠在第二冷却片4下面，第二片超导片5有ReBCO涂层的一面朝下，将第二片超导片5有ReBCO涂层的一面穿过第二冷却片4和第二超导片5的切口，使第二片超导片5有ReBCO涂层的一面与第一片超导片有ReBCO涂层的一面焊接；在第二片超导片5下面堆叠第二冷却片6，依此类推，依次堆叠数片超导片、冷却片，最后再堆叠第二超导引线片7，第二超导引线片7有ReBCO涂层的一面朝上，并与最后堆叠的一片超导片有ReBCO涂层的一面焊接；然后三根定位拉杆13穿过上述各片的定位孔14，在第一超导引线片1上面加上法兰8，第二超导引线片7下面加下法兰9，并用螺丝将各片固定在一起；将每片冷却片连接头11折叠到同一平面上，其上的定位连接孔12对齐，采用软连接的方法(铜导冷编织带)，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成传导冷却磁体；

一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却磁体，其特征在于，其冷却片的圆环部分采用裸铜或裸铜合金片作为传导冷却材料(方案2)；所述传导冷却磁体的具体结构：首先将第一超导片电流引线片1有ReBCO涂层的一面朝下，其下面再附着第一绝缘片15，第一绝缘片15的切口的一边对准第一超导引线片1的电流传输向下侧的切口，接着将第一冷却片2堆叠在第一绝缘片15下面，第一冷却片2的切口对准第一绝缘片15的切口，第一冷却片2的连接头的方向与第一超导引线片1的电流引线端相对，再将第二绝缘片16堆叠第一冷却片下面，第二绝缘片16的切口对准第一冷却片2的切口，再将第一片超导片3堆叠在第2片绝缘片下面，第一片超导片3有ReBCO涂层一面朝上，将第一片超导片3有ReBCO涂层一面与第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面焊接，焊接位置在第一、第二绝缘片及第一冷却片的切口位置；再将第三绝缘片17堆叠在第一片超导片3的下面，第三绝缘片17的切口对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二冷却片4堆叠在第三绝缘片17下面，第二冷却片4的切口对应第三绝缘片17的切口，再将第三绝缘片17堆叠在第二冷却片4下面，再将第二片超导片堆叠在第三绝缘片17下面，以此类推，在超导片、冷却片的两面均堆叠绝缘片，最后再堆叠第二超导引线片7,第二超导引线片7有ReBCO涂层的一面朝上，并与最后堆叠的一片超导片有ReBCO涂层的一面焊接；然后三根定位拉杆13穿过上述各片的定位孔14，在第一超导引线片1上面加上法兰8，第二超导引线片7下面加下法兰9，并用螺丝将各片固定在一起；将每片冷却片连接头11折叠到同一平面上，其上的定位连接孔12对齐，采用软连接的方法(铜导冷编织带)，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成传导冷却磁体；

一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却磁体，其特征在于，其冷却片圆环部分的上下表面中只有一面涂绝缘层(方案3)；所述传导冷却磁体的具体结构：首先将第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面朝下，再将第一冷却片2有绝缘层2‐1的一面朝上堆叠在第一超导引线片1下面，第一冷却片2的切口的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口，接着将第一绝缘片15堆叠在第一冷却片2下面，第一绝缘片15的切口对应第一冷却片2的切口，第一冷却片2的连接头方向与第一超导引线片1的电流引线端相对，将第一超导片3堆叠在第一绝缘片15下面，第一片超导片3有ReBCO涂层的一面朝上，将第一超导片3有ReBCO涂层的一面与第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面焊接，焊接位置为第一冷却片、第一绝缘片的切口位置；接着将第二冷却片4涂绝缘层4‐1的一面朝上，堆叠在第一超导片3下面，冷却片的切口的一边对准第1片超导片电流传输向下侧的切口，再将第二绝缘片堆叠在第二冷却片4下面，再将第二超导片堆叠在第二绝缘片下面，依此类推，最后再堆叠第二超导引线片7,第二超导引线片7有ReBCO涂层的一面朝上，并与最后堆叠的一片超导片有ReBCO涂层的一面焊接；然后三根定位拉杆13穿过上述各片的定位孔14，在第一超导引线片1上面加上法兰8，第二超导引线片7下面加下法兰9，并用螺丝将各片固定在一起；将每片冷却片连接头11折叠到同一平面上，其上的定位连接孔12对齐，采用软连接的方法(铜导冷编织带)，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成传导冷却磁体；

本发明的有益效果是本传导冷却磁体解决背景技术中所述的高温超导磁体在高温下的磁场冷却问题，进一步提高高温磁体冷却的效率，不仅实现磁体不同的冷却温度要求，而且操作简便，效率高，成本低。

附图说明

图1为冷却片圆环部分的上下表面涂有绝缘层的单个传导冷却磁体(方案1)的结构示意图。

图2为冷却片的圆环部分采用裸铜或裸铜合金片的单个传导冷却磁体(方案2)的结构示意图。

图3为冷却片圆环部分的上下表面中只有一面涂绝缘层的单个传导冷却磁体(方案3)的结构示意图。

图4为单个超导片的结构示意图，其中，a为正面图，b为剖面图。

图5为单个超导引线片的结构示意图，其中，a为正面图，b为剖面图。

图6为单个冷却片的结构示意图，其中，a为正面图，b为剖面图。

图7为绝缘片的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于ReBCO涂层超导片的传导冷却磁体，所述传导冷却磁体为圆柱体型，包括超导引线片、冷却片、超导片、法兰和定位拉杆；其中相邻的冷却片之间插入超导片，然后各超导片依次焊接，将超导片和冷却片依次进行堆叠，冷却片的连接头方向始终与电流引线端相对，相邻超导片的焊接位置为冷却片的切口位置；依此类推，一片片依次堆叠超导片和冷却片，最后上下两端各焊接一个超导引线片，并加法兰固定，上述各片的定位孔的位置及直径相同；但是切口位置不一样；三根定位拉杆穿过定位孔，将上述各片固定在一起；各冷却片的矩形连接头连接制冷机，形成传导冷却磁体；所述冷却片的圆环部位的材料结构具有裸铜或裸铜合金片、或在其裸铜或裸铜合金圆环上下表面涂绝缘层、或在其裸铜或裸铜合金圆环的一面涂绝缘层，另一面不涂绝缘层的三种结构，提出传导冷却磁体的三种结构方案。具体说，超导片是只有一面有ReBCO薄膜，薄膜上才有电流流过，所以2个超导片进行焊接时，只有面对面的焊接，才会使上一超导片的电流通过焊接部位流入下一超导片，除焊接位置外，其他地方需要绝缘，冷却片插入的地方是2个超导片面对面堆叠的中间，只冷却超导片的有ReBCO薄膜的一面，若冷却片为裸铜或裸铜合金片，需要在其上下面堆叠绝缘片，即超导片‐绝缘片‐冷却片‐绝缘片‐超导片，如果冷却片上下面涂有绝缘层，比如绝缘漆，则不需要在进行另外的绝缘，即超导片‐冷却片‐超导片，另一个也一样，如果冷却片的有绝缘层的一面朝上，即超导片‐冷却片‐绝缘片‐超导片；下面根据冷却片的圆环部分的三种结构构成如图1(方案1)、图2(方案2)、图3(方案3)所示的3种不同结构的传导冷却磁体。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为冷却片圆环部分的上下表面涂有绝缘层的单个传导冷却磁体(方案1)的结构示意图。图中，传导冷却磁体的冷却片圆环部分采用上下表面涂有绝缘层的铜片(方案1)；该传导冷却磁体的具体结构：首先将第一超导引线片1有ReBCO涂层(如图5中：在超导引线片1基底依次附着缓冲层1‐3、ReBCO薄膜1‐2、保护层1‐1)的一面朝下，再将第一片冷却片2(如图6所示，两面涂有绝缘层2‐1)堆叠在第一超导引线片1下面，第一冷却片2的切口10(所有各片上的标号)的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口，第一冷却片2的连接头方向与第一超导引线片1电流引线端相对，再将第一超导片3(如图4所示)堆叠在第一片冷却片2的下面，第一超导片有ReBCO涂层的一面朝上，对准第一冷却片2切口的另一边，将第一超导片3有ReBCO涂层的一面与第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面焊接，焊接位置为第一冷却片2的切口位置；接着将第二冷却片4堆叠在第一超导片3的下面，第二冷却片4的切口的一边对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二超导片5堆叠在第二冷却片4下面，第二片超导片5有ReBCO涂层的一面朝下，将第二片超导片5有ReBCO涂层的一面穿过第二冷却片4和第二超导片5的切口，使第二片超导片5有ReBCO涂层的一面与第一片超导片有ReBCO涂层的一面焊接；在第二片超导片5下面堆叠第二冷却片6，再堆叠第二超导引线片7,第二超导引线片7有ReBCO涂层的一面朝上，并与最后堆叠的一片超导片有ReBCO涂层的一面焊接；然后三根定位拉杆13穿过上述各片的定位孔14，在第一超导引线片1上面加上法兰8，第二超导引线片7下面加下法兰9，并用螺丝将各片固定在一起；将每片冷却片连接头11折叠到同一平面上，其上的定位连接孔12对齐，采用软连接的方法(铜导冷编织带)，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成传导冷却磁体；

图2所示为冷却片的圆环部分采用裸铜或裸铜合金片的基于ReBCO涂层超导片的传导冷却磁体(方案2)；所述传导冷却磁体的具体结构：首先将第一超导片电流引线片1有ReBCO涂层(如图5中1‐2)的一面朝下，其下面再附着第一绝缘片15(如图7所示)，第一绝缘片15的切口的一边对准第一超导引线片1的电流传输向下侧的切口，接着将第1冷却片2堆叠在第一绝缘片15下面，第一冷却片2的切口对准第一绝缘片15的切口，第一冷却片的连接头的方向与第一超导引线片1的电流引线端相对，再将第二绝缘片16堆叠第一冷却片下面，第二绝缘片16的切口对准第一冷却片2的切口，再将第一超导片3堆叠在第二绝缘片16下面，第一超导片3有ReBCO涂层一面朝上，将第一超导片3有ReBCO涂层一面与第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面焊接，焊接位置在第一、第二绝缘片及第一冷却片的切口位置；再将第三绝缘片17堆叠在第一片超导片3的下面，第三绝缘片17的切口对准第一超导片3电流传输向下侧的切口，再将第二冷却片4堆叠在第三绝缘片17下面，第二冷却片4的切口对应第三绝缘片17的切口，再将第三绝缘片17堆叠在第二冷却片4下面，再将第二片超导片堆叠在第三绝缘片17下面，依次类推，最后堆叠第二超导引线片7,第二超导引线片7有ReBCO涂层的一面朝上，并与第一超导片3有ReBCO涂层的一面焊接；然后三根定位拉杆13穿过上述各片的定位孔14，在第一超导引线片1上面加上法兰8，第二超导引线片7下面加下法兰9，并用螺丝将各片固定在一起；将每片冷却片连接头11折叠到同一平面上，其上的定位连接孔12对齐，采用软连接的方法(铜导冷编织带)，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成传导冷却磁体；

图3所示为冷却片圆环部分的上下表面中只有一面涂绝缘层的基于ReBCO涂层超导片的传导冷却磁体(方案3)，所述传导冷却磁体的具体结构：首先将第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面朝下，再将第一冷却片2有绝缘层2‐1的一面朝上堆叠在第一超导引线片1下面，第一冷却片2的切口的一边对准第一超导引线片1电流传输向下侧的切口，接着将第一绝缘片15堆叠在第一冷却片2下面，第一绝缘片15的切口对应第一冷却片2的切口，第一冷却片2的连接头方向与第一超导引线片1的电流引线端相对，将第一超导片3堆叠在第一绝缘片15下面，第一片超导片3有ReBCO涂层的一面朝上，将第一超导片3有ReBCO涂层的一面与第一超导引线片1有ReBCO涂层的一面焊接，焊接位置为第一冷却片、第一绝缘片的切口位置；接着将第二冷却片4涂绝缘层2‐1的一面朝上，堆叠在第一超导片3下面，冷却片的切口的一边对准第1片超导片电流传输向下侧的切口，再将第二绝缘片16堆叠在第二冷却片4下面，接着再堆叠第二超导引线片7,第二超导引线片7有ReBCO涂层的一面朝上，并与第一超导片3有ReBCO涂层的一面焊接；然后三根定位拉杆13穿过上述各片的定位孔14，在第一超导引线片1上面加上法兰8，第二超导引线片7下面加下法兰9，并用螺丝将各片固定在一起；将每片冷却片连接头11折叠到同一平面上，其上的定位连接孔12对齐，采用铜导冷编织带软连接，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成传导冷却磁体；

图4所示为超导片的结构示意图，其中，a为正面图，b为剖面图。该超导片3采用与第二代高温超导涂层导体相同的衬底材料，如Ni、NiW、哈氏合金板材料、不锈钢材料等，超导片3制作出方形的片状衬底按照尺寸将方形的片状衬底切割成内外半径为r1和r2的圆环片状，并对称开3个半径为r3的定位孔14，沿径向切口10，切口角度与超导片间的焊接角度相关，切口的宽度为不同超导片的切口位置不同；采用现成的第二代高温超导缓冲层制备工艺，如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)等，在圆环上沉积缓冲层1‐3；在缓冲层1‐3上采用现成的第二代高温超导薄膜涂层技术，如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法等，在缓冲层上镀上ReBCO薄膜1‐2，接着镀银、铜薄膜保护层1‐1，以此形成具有圆环片状的超导片。

图5所示为单个超导引线片的结构示意图，其中，a为正面图，b为剖面图。采用与超导片相同的工艺，内外半径与超导片相同，且在圆环的外侧一端伸出矩形片，长度为g，宽度为h；在衬底1表面上沉积缓冲层1‐3；然后在缓冲层上采用现成的第二代高温超导薄膜涂层技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜1‐2，接着镀银、铜薄膜保护层1‐1。在超导引线片的圆环部分上打3个定位孔14，切口10角度与超导片的切口角度相同为

图6所示为单个冷却片的结构示意图，其中，a为正面图，b为剖面图。该冷却片采用铜作为传导冷却的材料，首先，将铜片切割成矩形的片状结构；接着按照冷却片的参数，将矩形的铜片切割成内外半径分别为r1和r2的圆环，内外半径的尺寸与超导片的尺寸相同，且在圆环的外侧伸出长度为m，宽度为n的矩形连接头11；再在冷却片的圆环表面对称开3个半径为r3的定位孔14，定位孔的尺寸与超导片的尺寸相同，沿径向切口10，切口角度与绝缘片的角度相同，切口角度为切口的位置与超导片的切口位置相同，再在冷却片的连接头11表面打4个定位连接孔12，半径为r4，其中每一片冷却片的连接头长度m不相同；并且冷却片的圆环部分的具体结构为裸铜或裸铜合金片、或在其圆环上下表面涂绝缘层2‐1、或在其圆环的一面涂涂绝缘层2‐1，另一面不涂绝缘层等三种结构。由此本发明提出了3种不同结构的传导冷却磁体。

图7为绝缘片的结构示意图。

所述绝缘片采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片；绝缘片的大小与超导片相同，同样地，也在绝缘片上打有3个定位孔14和超导片一样的中心孔、绝缘片表面切口，切口的角度以为相邻超导片的焊接留出一定的位置为准，切口角度为