一种基于Nb3Al超导环片的超导磁体的制作方法

本发明属于超导磁体应用领域，特别涉及一种基于nb3al超导环片的超导磁体。

背景技术：

超导磁体具有磁场强度高、功耗低、体积小和稳定性高等优点，其中al5型金属间超导化合物nb3al具有很高的上临界磁场和高场临界电流密度。在强磁场条件下，nb3al具有比已实用化的nb3sn线材更优良的应力应变容许特性。结合nb3al超导材料的优点提出一种nb3al闭环超导片的制作，并将其应用到超导磁体的设计中，为高磁场强度的制备提供一种途径。可应用于大型超导磁体装置，高能加速器的束流磁体，核聚变磁体等各个领域。

现今实用的nb3al超导材料采用带状结构，通过绕制带材成双饼式或螺管式结构来制备超导磁体。由于nb3al超导材料焊接工艺不成熟，无法实现无阻焊接，也就不能实现超导闭环运行。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种基于nb3al超导环片的超导磁体，

超导磁体由形状尺寸相同但中间开孔的绝缘片与nb3al超导环片交互堆叠组成，顶层和底层为绝缘片，顶层和底层外加中间开孔的法兰片进行固定，在法兰片四周大于超导环片的区域对称开若干个定位孔，通过绝缘拉杆和螺栓进行上下法兰片的固定连接。

所述nb3al超导环片由未反应nb层和生成的nb3al层组成，上下为未反应nb层，中间为生成的nb3al层。

所述nb3al超导环片形状包括圆形、跑道形和d形环3种，分别对应为圆柱形nb3al磁体结构、跑道形nb3al磁体结构和d形nb3al磁体结构。

所述绝缘片采用pplp绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片。

所述绝缘片用铜片替换，铜片双面涂有绝缘漆，并有径向的切口。

所述nb3al超导环片形状包括圆形、跑道形和d形环3种，分别对应为圆柱形nb3al磁体结构、跑道形nb3al磁体结构和d形nb3al磁体结构；所述绝缘片采用pplp绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸、环氧薄片或用铜片替换，铜片双面涂有绝缘漆，并有径向的切口。

所述超导磁体通过磁通泵励磁，外加交流电源，实现闭环超导运行。

所述nb3al超导环片的制作工艺包括，

步骤1：将宽度相同的nb箔和al箔按照固定的nb箔-al箔-nb箔-al箔-nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成五层结构的nb-al复合薄板，厚度小于50μm；

步骤2：采用快速加热冷却法对nb-al复合薄板进行处理，再经过二次热处理后得到nb3al超导薄板；

步骤3：将步骤2所得的nb3al超导薄板切割成圆环形nb3al超导环片，或跑道形nb3al超导环片，或d形nb3al超导环片。

所述nb3al超导环片的制作工艺包括:

步骤1：将nb箔和al箔按照固定的nb箔-al箔-nb箔-al箔-nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成五层结构的nb-al复合薄板，厚度小于50μm；

步骤2：切割nb-al复合薄板，得到圆环形nb-al复合薄片，或跑道形nb-al复合薄片，或d形nb-al复合薄片；

步骤3：采用快速加热冷却法对nb-al复合薄片进行处理，再经过二次热处理后，得到圆环形nb3al超导环片，或跑道形nb3al超导环片，或d形nb3al超导环片。

有益效果：

本发明提出一种基于nb3al超导环片的超导磁体，由nb3al超导环片和绝缘片或铜片交互堆叠构成，通过简单地堆叠nb3al超导环片形成超导磁体，省去了绕制环节；无需焊接，采用磁通泵励磁技术，无需电源和电流引线，可以实现了nb3al高磁场磁体闭环运行的高场磁体应用；具有制造方便，结构简单、紧凑的优点。

附图说明

图1为制造三种环形nb3al超导片的制作工艺一的加工过程示意图；。

图2为制造三种环形nb3al超导片的制作工艺二的加工过程示意图；

图3为绝缘片示意图；

图4为采用磁通泵励磁时的圆柱形nb3al磁体模型示意图；

图5为采用磁通泵励磁时的跑道形nb3al磁体模型示意图；

图6为采用磁通泵励磁时的d形nb3al磁体模型示意图；

图7为涂绝缘漆有径向切口的铜片结构示意图；

图8为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的圆柱形nb3al磁体模型示意图；

图9为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的跑道形nb3al磁体模型示意图；

图10为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的d形nb3al磁体模型示意图；

图11为泵入磁通泵脉冲交流电源的交变电流波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是制造nb3al超导环片的方案一的加工过程示意图，具体的示实施过程为：将nb箔(1)和al箔(2)按照固定的nb箔-al箔-nb箔-al箔-nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成一个五层结构的nb-al复合板(4)，厚度小于50μm；在真空室中将复合材料快速加热到1960℃，然后将其放入液态金属ga溶液中快速淬火，将淬火后的材料进行二次热处理，即得到nb3al超导薄板(5)；将nb3al超导薄板切割成圆环形nb3al超导环片(6)，或者跑道形nb3al超导环片(7)，或者d形nb3al超导环片(8)。

图2是制造nb3al超导环片的方案二的加工过程示意图，具体的示实施过程为：将nb箔(1)和al箔(2)按照固定的nb箔-al箔-nb箔-al箔-nb箔的次序对齐层叠在一起，轧制成一个五层结构的nb-al复合薄板(4)，厚度小于50μm。对nb-al复合薄板(4)进行切割，得到圆环形nb-al复合薄片(9)，或跑道形nb-al复合薄片(10)，或d形nb-al复合薄片(11)，其中9-1，10-1，11-1为复合薄板的nb层，9-2，10-2，11-2为复合薄板的al层；在真空室中，将三种形状的nb-al复合片快速加热到1960℃，然后将其放入液态金属ga溶液中快速淬火，将淬火后的材料进行二次热处理，即得到圆环形nb3al超导环片(6)，或跑道形nb3al超导环片(7)，或d形nb3al超导环片(8)，其中6-1，7-1，8-1为未反应nb层，6-2，7-2，8-2为生成的nb3al层。

图3为绝缘片示意图，绝缘片可以采用现有的pplp绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片等，其截面尺寸与超导环片相同，构成圆柱形nb3al超导磁体的绝缘片为圆环形(12)；构成跑道形nb3al超导磁体的绝缘片为跑道形(20)；构成d形nb3al超导磁体的绝缘片为d形(21)。

实施例1

由圆环形nb3al超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图如图4所示，构成磁体的具体过程为：先放置好第1片圆环形绝缘片(12)，将第1片圆环形nb3al超导环片(6)堆叠在第1片绝缘片(12)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘片(12)堆叠在第1片nb3al超导环片(6)上面，再将第2片nb3al超导环片(6)堆叠在第2片绝缘片(12)上面。然后将第3片绝缘片(12)堆叠在第2片超导环片(6)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片的内半径同超导片r1，外半径要大于超导片外半径r2，在外半径大于的区域对称开3个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。

实施例2

由跑道形nb3al超导环片和绝缘片所构成的磁体结构图如图5所示，构成磁体的具体过程为：先放置好第1片跑道形绝缘片(20)，将第1片跑道形nb3al超导环片(7)堆叠在第1片跑道形绝缘片(20)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘片(20)堆叠在第1片nb3al超导环片(7)上面，再将第2片nb3al超导环片(7)堆叠在第2片绝缘片(20)上面。然后将第3片绝缘片(20)堆叠在第2片超导环片(7)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片也为跑道形环状，内部尺寸同超导片内环尺寸，即内环跑道部分长l2，两端半径为r4，外边要大于跑道形超导环片外半径，在外半径大于的区域对称开4个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。

实施例3

由d形nb3al超导环片和绝缘片所构成的磁体结构图如图6所示，构成磁体的具体过程为：首先放置好第1片d形绝缘片(21)，将第1片d形nb3al超导环片(8)堆叠在第1片d形绝缘片(21)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘片(21)堆叠在第1片nb3al超导环片(8)上面，再将第2片nb3al超导环片(8)堆叠在第2片绝缘片(21)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片为方形，内部尺寸与d形超导环片内部尺寸相同，也为d形，半径为r5，外半径要大于d形超导环片外半径r6，在外半径大于的区域对称开4个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。

图7为涂绝缘漆有径向切口的铜片结构示意图，铜片外表面均涂有绝缘漆并保证有径向切口防止形成闭环，可以代替绝缘片，构成圆柱形nb3al超导磁体的涂绝缘漆有径向切口的铜片为圆环形(22)，其中22-1为绝缘漆层，22-2为cu层；构成跑道形nb3al超导磁体的绝缘铜片为跑道形(23)，其中23-1为绝缘漆层，23-2为cu层；构成d形nb3al超导磁体的绝缘铜片为d形(24)，其中24-1为绝缘漆层，24-2为cu层。

实施例4

图8为用涂绝缘漆的有切口的圆环形铜片代替绝缘片的nb3al圆柱形磁体模型示意图，具体过程为：先放置好第1片圆环形铜片(22)，将第1片圆环形nb3al超导环片(6)堆叠在第1片铜片(22)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片铜片(22)堆叠在第1片nb3al超导环片(6)上面，再将第2片nb3al超导环片(6)堆叠在第2片铜片(22)上面，依次类推，一片片地完成超导环片和绝缘铜片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)固定，法兰片的内半径同超导环片r1，外半径要大于超导环片外半径r2，在外半径大于的区域对称开3个定位孔(14)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。

实施例5

图9为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的跑道形nb3al磁体模型示意图，具体过程为：先放置好第1片跑道形绝缘铜片(23)，将第1片跑道形nb3al超导环片(7)堆叠在第1片跑道形绝缘铜片(23)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第2片绝缘铜片(23)堆叠在第1片nb3al超导环片(7)上面，再将第2片nb3al超导环片(7)堆叠在第2片绝缘铜片(23)上面。然后将第3片绝缘铜片(23)堆叠在第2片超导环片(7)上面，依次类推，完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。

实施例6

图10为用涂绝缘漆的有切口的铜片代替绝缘片的d形nb3al磁体模型示意图，具体过程为：先放置好第1片d形绝缘铜片(24)，将第1片d形nb3al超导环片(8)堆叠在第1片d形绝缘铜片(24)上面，堆叠时要做到上下完全对齐；接着将第2片绝缘铜片(24)堆叠在第1片nb3al超导环片(8)上面，再将第2片nb3al超导环片(8)堆叠在第2片d形绝缘铜片(24)上面；依次类推，完成超导片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下加法兰片(13)，通过绝缘拉杆(15)和螺栓(16)进行固定。

采用超导磁通泵技术向超导磁体供电，实现对磁体系统的励磁。整个过程需保持低温制冷系统的正常运行，保证nb3al超导环片在超导状态。

nb3al磁体的励磁采用磁通泵技术，励磁磁通泵采用空心螺管线圈(17)，螺管线圈的高度大于超导磁体的高度，超导磁体的内环尺寸略大于螺管线圈的外环尺寸，螺管线圈同心同轴地插入超导磁体，外接交流电源(19)。通过外部电源(19)在螺管线圈中输入脉冲电流，对nb3al超导磁体励磁。交变电流波形的上升速率应当远大于下降速率，电流波形不限，可以采用如图11所示的三角电流波形。通过在螺管线圈中周期性地泵入交变电流，就可以使超导环片的感应电流逐渐增大。在电流满足期望值后切断交变电流，超导环片的电流保持恒定，维持一个稳定的强磁场。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，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。