超导的线圈装置和制造方法

超导的线圈装置和制造方法
【专利说明】超导的线圈装置和制造方法
[0001] 本发明涉及一种超导的线圈装置，具有由超导的带状导体构成的线圈绕组，并且 本发明还涉及一种用于这种线圈装置的制造方法。
[0002] 为了产生更强的、更均匀的磁场使用超导线圈，它在持续短路-模式下工作。例如 具有在0. 5T至20T之间的磁通密度的均匀磁场用于核磁共振光谱学（NMR-光谱学）和磁 共振成像。这种磁场典型地通过外部电路来充电，并且随后与外部电源相隔离，因为在合成 的持续短路-模式内通过超导的线圈进行几乎无损失的电流通过。合成的、较强的磁场时 间上是特别稳定的，因为它不受外部电路的噪声（Rauschbeitiigen)所影响。
[0003] 在使用已知的绕组技术中，一个或多个超导的电线在支承体上被缠绕，其中， 不同的电线部段通过具有尽可能小的欧姆电阻的电线连接或者通过超导连接而相互接 触。对于典型的低温超导体如NbTi和Nb3Sn，具有在23K以下的跃变温度，为了制造超 导接触，存在用于联接电线部段和用于连接绕组与超导的持续电流开关或持续转换器 (Dauerstromschalter)的技术。在此，超导的持续电流开关是线圈的电路的一部分，并且为 了提供外部电流通过加热转换到欧姆传导状态。在关闭加热装置和降低温度到工作温度之 后，线圈的这部分重新成为超导性的。
[0004] 高温超导体或者高T。温度超导体（HTS)是具有在25K以上的跃变温度的超导材 料，并且在几个材料等级中，例如铜氧化物超导体，在77K以上，其中，能够通过利用其它低 温材料如液体氦实现冷却。HTS材料对于制造电磁线圈用于NMR光谱学和磁共振成像是特 别有吸引力的，因为一些材料具有高于20T的上限的磁场。通过较高的上限的磁场，HTS材 料原则上比低温超导体更适合用于产生高于例如10T的磁场。
[0005] 在制造HTS电磁线圈时，存在这样一个问题，缺少合适的用于制造超导的HTS连 接的技术，尤其对于第二代、所谓的2G-HTS。2G-HTS-电线典型地设为平坦的带状导体的 形状。当在超导的带状导体之间加入欧姆接触时，在线圈内的损失不能够再被忽略，并且 产生的磁场在几小时或者几天的时间内就会显而易见地下降（参见"IEEETransactions onAppliedSuperconductivity"，Vol. 12，No. 1，March2002，476 至 479 页，和"IEEE TransactionsonAppliedSuperconductivity"，Vol. 18，No. 2，June2008，953至956 页）。
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种超导的线圈装置，它可避免所述的缺点。 本发明的另一个技术问题是，提供用于线圈装置的制造方法。
[0007] 所述技术问题通过在权利要求1中所述的线圈装置和通过在权利要求14中所述 的方法所解决。
[0008] 根据本发明的线圈装置包括圆柱形的支承体和至少两个由超导的带状导体构 成的线圈绕组。超导的带状导体具有双连通的拓扑结构（zweifachzusammenhangenden Topologie)，并且在双连通的拓扑结构内包括连续的超导层。此外，超导的带状导体包括两 个导体分支，它们在两个反向的螺旋绕组内绕着圆柱形的支承体布置。
[0009] 关于定义"双连通"在几何的拓扑结构内，在此这种定义应该理解为，超导的带状 导体具有带有孔的单连通套环或绕圈（Schlaufe)的拓扑结构。"在双连通的拓扑结构内的 连续的超导层"应该理解为一种层，它在整个套环上超导的连接，而不存在具有欧姆接触的 联接。
[0010] 根据本发明的线圈装置能够产生较强的、均匀的和在时间上稳定的磁场，因为这 种线圈装置基本上能够无损地在持续短路-模式下工作。
[0011] 根据本发明的方法提供一种用于具有圆柱形的支承体和超导的带状导体的超导 线圈装置的制造方法，超导的带状导体包括至少一个支承带和至少一个超导层。在这种制 造方法中，通过在安装超导层之前或之后沿着超导的带状导体的长度方向剪开支承带制造 双连通的拓扑结构的超导带状导体，并且双连通的拓扑结构的超导的带状导体以反向的螺 旋绕组形式绕着圆柱形的支承体缠绕。
[0012] 通过根据本发明的制造方法可实现，在双连通的拓扑结构内构成连续的超导层， 而无需例如通过钎焊过程或者烧结过程的事后联接。
[0013] 根据本发明的线圈设备的有利结构设计和改进方案有从属于权利要求1的从属 权利要求给出。线圈装置能够相关地具有如下特征：
[0014] -因此，超导层包括高T。温度超导体（Hoch-T「Supraleiter)。
[0015] -高T。温度超导体能够包括材料REBa2Cu30x，其中，RE代表稀土元素（RareEarch) 或者这种元素的混合物。
[0016] -高T。温度超导体能够包括材料MgB2。
[0017] -在线圈绕组之间能够安置至少一个电绝缘层。
[0018] -电绝缘层和超导的带状导体能够构成共同被预先制造的绕组带。
[0019] -超导的带状导体能够基本上平坦地安设在圆柱形的支承体的表面上。
[0020] -线圈装置能够包括多个上下重叠的成对的反向的螺旋线绕组。
[0021] -超导的带状导体能够包括可加热的区域，该区域与加热设备热接触。在这种可加 热的区域内超导的带状导体起到超导开关的作用，这种超导开关通过加热切换为欧姆传导 的状态。这种开关能够有利地向线圈装置的超导的其余区域提供电流。
[0022] -可加热的区域能够位于螺旋绕组的外部。可加热的区域能够有针对性地不与圆 柱形的支承体热接触，因而有利地避免了对螺旋线绕组的超导的其余区域的加热。
[0023] _可加热的区域备选地能够构成螺旋绕组的一部分，它相对于圆柱形支承体热绝 缘。
[0024] _备选于可加热的区域，线圈装置能够包括用于产生局部磁场的设备，该设备能够 将超导的带状导体的区域通过局部磁场切换为欧姆传导的状态。
[0025] -线圈装置能够包括至少两个用于将线圈与外部电源相连接的触头。
[0026] -这两个触头有针对性地安置在线圈的可加热区域的两侧或者安置在用于产生局 部磁场的设备的两侧。随后，向线圈的仍超导的区域传输外部电流。
[0027] 根据本发明的制造方法的有利结构设计和改进方案有从属于权利要求14的从属 权利要求给出。所述制造方法还能够具有如下特征：
[0028] -双连通的超导的带状导体能够与电绝缘层连接为预先制成的绕组带，并且该绕 组带为了制造反向的螺旋线绕组能够被储备辊缠绕。
[0029] -在通过被储备棍缠绕制造反向的螺旋线绕组时，储备辊为了制造每个线圈绕组 能够穿过超导的带状导体一次。这种方法有利地利用2G-HTS带状导体进行，2G-HTS带状导 体对于这种方法能够设计为足够抗扭稳定的。
[0030] -能够利用激光或者线切割机剪开单连通的超导带状导体。
[0031] 下面根据优选的实施例在结合所附的附图的情况下阐述本发明，在附图中：
[0032] 图1示出双连通的拓扑结构的超导带状导体的示意性俯视图，
[0033] 图2示出根据在图1中的剖切面II所示的超导的2G-HTS带状导体的示例性横截 面，
[0034] 图3示出超导的线圈装置的示意性侧视图，它使得在实施例中的导体分支的绕组 更加明白。
[0035] 图1示出双连通的拓扑结构的超导带状导体的示意性俯视图，通过剪开单连通的 拓扑结构的超导带状导体来制造双连通的拓扑结构的超导带状导体。在这个实施例中，借 助激光实现所述剪开。所示的实施例描述用于核磁共振（NMR)-光谱学的线圈装置。在这 个示例中，原始单连通的带状导体的长度6是1000m。但是，这种长度还能够更短或更长。 在用于形成磁共振的线圈装置中，所述长度能够是这里所述长度的几倍。超导的带状导体 包括两个几何尺寸大概相同的导体分支2和4。电流1 2流过第一导体分支2,并且电流I4 沿着相反的方向流过第二导体分支4,因而封闭的环流流过整体上双连通的超导的带状导 体1。原始单连通的带状导体的宽度8在该实施例中是10_，并且两个导体分支2和4的 宽度在被剪开的区域内分别是5mm。但是，根据所使用的带状导体材料，导体分支2和4的 这种宽度还能够更大或更小。
[0036] 图2示出超导的带状导体1的横截面，其中示意性示出2G-HTS的层结构。在这种 示例中，将超导的带状导体1与绝缘层10固定连