专利名称：：超导线圈及用于该超导线圈的超导体的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种超导线圈，更具体而言，本发明涉及一种能够在高工作温度下产生强磁场的超导线圈结构。
背景技术：
：对于利用氧化物超导材料的超导导线，目前正在深入发展的有以下两种一种是带形银覆盖的超导导线，该导线通过粉末装管法制备并以(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cii30服s相作为主要成分(S是0.1数量级的数在下文中称为(Bi，Pb)2223)。(例如，参照非专利文献1。)另一种是带形薄膜超导导线，其中超导层通过气相法或液相法形成在金属基底上。薄膜超导导线的超导材料是由化学式REiBa2di30x(x是接近7的数；在下文中称为RE123)表示的氧化物超导材料，并且在RE(稀土)部分中布置了诸如Y、Ho、Nd、Sm、Dy、Eu、La、Tm等的一种元素或稀土元素的化合物。(例如，参照非专利文献2。)为了磁场应用目的，利用上述超导导线制备超导线圈。专利文献1公开了一种超导线圈，其通过堆叠多个使用带形(Bi，Pb)2223超导导线的扁平线圈制备。将由带形(Bi，Pb)2223超导导线制成的超导线圈冷却至20K以下的低温，并且通过使给定的工作电流流动产生磁场。该带形(Bi，Pb)2223超导导线在高温下的耐磁场性不强，并且当把该超导导线放入磁场中时，临界电流值往往退化。因此，当(Bi，Pb)2223超导导线为线圈形状时，由于自身所产生的磁场，临界电流值减小。因此，作为对策，预先通过降低工作温度使临界电流值变得较大，使得足够的电流可以在所产生的磁场下流经线圈。因而，如果要超导线圈中产生较大的磁场，所述线圈中使用带形(Bi，Pb)2223超导导线，则要将线圈冷却至约20K的低温。因此，为了冷却超导线圈，必需利用能够冷却至约20K的低温的设备。另一方面，带形RE123超导导线在耐磁场性方面优于带形(Bi，Pb)2223超导导线，并且在磁场中于较高温度下临界电流值的退化小。然而，带形RE123超导导线，其制备方法复杂且精密，难于形成均匀导线这样的长度能够利用其单独长度形成线圈。此外，因为低产率，所以导线成本高。日本专利特开平10-104911于2006年7月发行的SEI技术综述第169期，第103~108页于2006年7月发行的SEI技术综述第169期，第109112页
发明内容本发明要解决的问题考虑到上述情形，本发明的目的在于提供一种低成本超导线圈和用于其中的超导导体，利用该超导线圈能够在较高温度下(也就是说通过利用相对低冷却能力的冷却设备)产生高磁场。解决所要解决问题的手段通过详细研究带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线的特性，以及通过结合那些导线的特征，作出能够解决上述问题的本发明。在下文中，将描述本发明。本发明是一种通过缠绕超导导体形成的具有扁平形状的超导线圈，该超导导体通过串联电连接带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线制得，使得带形(Bi，Pb)2223超导导线排列在外圆周部分，而带形RE123超导导线排列在内圆周部分。在本发明中，优选带形(Bi，Pb)2223超导导线的宽度和带形RE123超导导线的宽度相等。在本发明中，优选这样排列带形RE123超导导线，使得导体以这样的方式缠绕，即带形RE123超导导线的缠绕直径包括所有内圆周部分，该内圆周部分位于小于带形(Bi，Pb)2223超导导线可允许的弯曲直径范围内，所述导体通过串联电连接带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线形成。此外，本发明的超导导体是用于上述超导线圈的任一种的超导导体。本发明的有益效果根据本发明，能够实现能在较高温度下产生高磁场的低成本超导线圈。图l是示意性地显示带形(Bi，Pb)2223超导导线结构的部分截面立体图。图2是示意性地显示带形RE123超导导线结构的部分截面立体图。图3是显示在磁场中(Bi，Pb)2223超导导线和RE123超导导线的温度-临界电流特性图。图4是显示通常超导磁体实例的示意图。图5是显示在电流供应给超导线圈的情况下，图4a的A-A'截面中的磁场强度分布示意图。图6是示意性地显示本发明的超导线圈结构的部分截面立体图。图7是显示关于由七个超导线圈形成的超导磁体，在对应于图4的A-A'截面位置的磁场强度分布示意图。图8是显示在30K的温度下(Bi，Pb)2223超导导线和薄膜RE123超导导线的磁场-临界电流特性图。附图标记列表11氧化物超导导线12氧化物超导丝状体13外壳部分20带形RE123超导导线21织构化的金属基底22缓冲层23超导薄膜层2425、26保护层41超导线圈42接线端43持续电流开关71、72、73、74、75、76、77超导线圈具体实施例方式在下文中，将描述本发明优选的实施方案。附图中的尺寸比例不总是符合说明书中的尺寸比例。实施方案图l是示意性地显示带形(Bi，Pb)2223超导导线结构的部分截面立体图。参照图1对具有许多丝状体的带形(Bi,Pb)2223超导导线进行说明。带形(Bi，Pb)2223超导导线11具有多个沿轴向延伸的(Bi，Pb)2223超导体丝状体12，以及覆盖它们的外壳部分13。外壳部分13的材料由例如金属(如银和银基合金)构成。图2是示意性地显示带形RE123超导导线结构的部分截面立体图。参照图2对通常的带形RE123超导导线进行说明。带形RE123超导导线20包括作为基底的织构化的金属基底21，形成在织构化的金属基底21上的缓冲层22，形成在缓冲层22上的超导薄膜层23，保护超导薄膜层23的稳定层24，以及保护整体并改善导电性的保护层25、26。织构化的金属基底21可以是例如Ni的织构化基底、Ni合金的织构化基底等。缓冲层20可以由例如氧化物(如Ce02或YSZ(钇稳定的氧化锆))制成。至于超导薄膜层23，例如可以选择如HoBa2Cu3Ox(x是接近7的数)这样的RE123基超导材料。稳定层24以及保护层25和26可以由Ag(银)或Cu(铜)制成。图3是显示在磁场中带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线的温度-临界电流特性图。在图中，绘制了在将3T的磁场平行地施加到各自带平面的情况下，临界电流值(Ic(3T)/Ic(77K，0T))的变化，其中于液氮温度(77K)下在零磁场中的临界电流值是1。例如，如果在77K和零磁场下的临界电流值是100A，并且如果绘图点位于纵坐标2的位置，则表明这样的事实，即于该温度下在3T的磁场中有200A的临界电流流动。在所述超导导线的任一种中，临界电流值随着温度的降低而增加；然而，带形RE123超导导线的临界电流值的增加更大。此外，在带形(Bi，Pb)2223超导导线的情况下，临界电流值在50~60K下基本上变为0。看出带形RE123超导导线在磁场中具有优异的临界电流特性。例如，当尝试形成于60K的工作温度下将3T的磁场平行地施加到带平面的超导线圈时，如果使用带形(Bi，Pb)2223超导导线，则不能获得该超导线圈，因为在上述条件下临界电流值是O。另一方面，利用带形RE123超导导线，能够形成上述超导线圈，因为RE123超导7导线在相同的条件下具有限定的临界温度。此夕卜，在50K以下的温度下，利用带形(Bi，Pb)2223超导导线，可以形成与上述超导线圈(3T的磁场平行地施加到带平面)相同的超导线圈。当然，它也能够利用带形RE123超导导线制备。如果利用能够流动小电流的带形(Bi，Pb)2223超导导线形成线圈，缠绕数必须增加，因为产生的磁场取决于流动电流和缠绕数的乘积。这会导致线圈外径的增加。在这种情况下，用于冷却这种大直径线圈的制冷机必须具有高冷却能力。此外，除了在磁场中的超导性质之外，当比较带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线时，带形RE123超导导线具有下列优点。一个优点是当它以较小的曲率弯曲时，它具有较低的临界电流值降低的倾向。换言之，它允许较小的缠绕直径。另一个优点是它对从外部施加的张力具有较强的抗性。在超导线圈中，超导导线由于电磁力而遭受环力(张力)。如果该力大，则导线的超导部分有时候可能会被破坏。在带形RE123超导导线的情况下，织构化的金属基底21还充当增强材料，因此它能够经受住大的张力。利用在磁场中展现出良好性能的带形RE123超导导线，可以形成高性能超导线圈。然而，如上所述，因为制备带形RE123超导导线的方法复杂且精密，难于形成均匀导线这样的长度能够利用其单独长度形成线圈。此外，由于低产率导线成本往往高。另一方面，带形(Bi，Pb)2223超导导线也有优点。S卩，由于整个导线覆盖有具有良好导热性的银或银基合金，所以与带形RE123超导导线相比，能够容易实现冷却。因此，在本发明中，利用它们各自的优点，通过将带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线串联电连接作为超导导体而形成超导线圈。图4是显示通常超导磁体实例的示意图。通过以扁平形状缠绕超导导线形成超导线圈41。由此制备的超导线圈41根据预期用途按照需要电连接。当电流自接线端42供应到超导线圈41时，在这些线圈中产生磁场。此外，当接线端42经过由氧化物超导导线制成的持续电流开关43连接到一起并且对目标磁场进行激发，其后接通持续电流开关43时，不断的电流在超导线圈41-持续电流开关43的回路中流动。图5是显示在电流供应给超导线圈的情况下，图4a的A-A'截面中磁场强度分布的示意图。图5通过等高线显示了磁场强度分布。在图5中，点X是磁体内侧的垂直中心位置，而点X'是磁体外侧的垂直中心位置。点A和点A'分别显示了磁体内侧和外侧的上端。图5中所示的磁场强度是由实箭头线表示的方向上的磁场。目卩，磁场平行于以扁平形状缠绕的导线的带平面。在接近磁体内侧的中心点(点X)的位置，例如，如果目标磁场是3T，则产生3T。在图5中，磁场强度由点X向点X'降低为例如，在X1处为2T;在X2处为1T，以及在X3外面的点处为0.5T以下。此外，磁场强度在垂直方向上由内侧向外侧降低。由图5可以看出，.明显在磁体的任何高度，磁场在内侧更强。在相同高度的线圈中，较强的磁场施加在磁体的内部，而较弱的磁场施加在磁体的外部。因此，本发明的超导线圈利用导体以这样的方式形成，使得带形RE123超导导线可以布置在磁场较强的内部，而带形(Bi，Pb)2223超导导线可以布置在磁场较弱的外部，该导体通过串联电连接带形RE123超导导线和带形(Bi，Pb)2223超导导线制备。图6是示意性地显示本发明超导线圈结构的部分截面立体图。该超导线圈是具有扁平形状的超导线圈，其中带形RE123超导导线和带9形(Bi，Pb)2223超导导线串联连接，使得带形RE123超导导线缠绕在超导线圈的内侧(图6中的部分B)，而带形(Bi，Pb)2223超导导线缠绕在超导线圈的外侧(图6中的部分C)。根据工作条件(温度和磁场)，可以任意地设定带形RE123超导导线分配在超导线圈的内侧的程度。为了形成用于产生高磁场的超导线圈，例如，如果工作温度低，则带形RE123超导导线可以排列在径向上占据少于一半的内圆周部分，反之如果工作温度高，则带形RE123超导导线可以排列在径向上占据超过一半的内圆周部分。下面，将对一个实例进行解释，其中具有图5所示的磁场分布的超导磁体由七个扁平形状的线圈形成。图7是显示关于由七个超导线圈形成的超导磁体，在对应于图4的A-A'截面的位置磁场强度分布的示意图。在中心点(点X)产生的磁场是3T。图7所示的磁体由七个超导线圈71、72、73、74、75、76和77组成。图7中的虚线表示超导线圈71、72、73、74、75、76和77各自的边界。超导线圈71、72、73、74、75、76和77串联电连接，并且具有同一值的电流流经它们的每一个。该超导磁体在保持其温度为30K下工作。在排列于中心的超导线圈74中，产生的磁场为在点X处为3T;在点X至点X2处为3T至1T;以及在点X2之外处为1T以下。图8是显示在30K温度下(Bi，Pb)2223超导导线和薄膜RE123超导导线的磁场-临界电流特性图。在图8中，如图3中一样，在零磁场在液氮温度(77K)下其临界电流值为1，在3T的磁场平行地施加到各自带平面的情况下，绘制临界电流值(Ic(30K)/Ic(77K，0T))的变化。当使用在77K和零磁场下具有相同临界电流值的带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线时，由图8中的磁场-临界电流性质可以看出，对于处于平行于带平面施加的3T磁场中的RE123超导导线，和处于平行于带平面施加的1T磁场中的(Bi，Pb)2223超导导线，在30K的温度下的临界电流值基本上相等。这可以由这样的事实理解，即Ic(30K)/Ic(77K，0T))=2.8的点在(Bi，Pb)2223的情况下位于1T附近，而在RE123的情况下位于3T附近，如图8中的虚线所示。将展示的如上所述条件的超导线圈74，通过将带形RE123超导导线排列在点X2内侧的区域，以及把带形(Bi，Pb)2223超导导线排列在点X2外侧的区域而形成。测定在位于最强磁场部分能够供应给超导导线的电流值。带形RE123超导导线的临界电流值在点X处最低，而带形(Bi，Pb)2223超导导线的临界电流值在点X2处最低。因而，在那些点之外的区域，即在X-X2区，带形RE123超导导线具有点X的值以上的临界电流值，而在X2-X'区，带形(Bi，Pb)2223超导导线具有点X2的值以上的临界电流值。因此，能够使低于点X或点X2临界电流值的电流(为了在磁体的中心部分产生3T的磁场)流动而保持超导线圈74处于超导状态。根据图7中所示的磁场分布，因为与供应给超导线圈74的电流相同的电流流动，显然其它超导线圈71、72、73、75、76和77可以如上所述通过将带形(Bi，Pb)2223超导导线排列在点X2外侧的区域形成。如果象超导线圈74—样暴露于磁场分布的超导线圈仅利用带形(Bi，Pb)2223超导导线形成，则它不能在30K的温度下工作，并且它必须冷却至约20K。此外，仅利用带形RE123超导导线制备的相似超导线圈能够在30K的温度下工作。然而，这种线圈将因为带形RE123超导导线的高成本而昂贵。因此，通过如同本发明结合利用带形RE123超导导线和带形(Bi，Pb)2223超导导线，可以制备能够在较高温度下工作的低成本超导线圈。此外，这种线圈能够有效地被冷却，因为具有大体积的外部由具有良好导热性的带形(Bi，Pb)2223超导导线11构成。在上述情况下，使用超导导线，该导线具有相同的77K和零磁场临界电流值。然而，可以使用具有不同的77K和零磁场临界电流值的导线。在这种情况下，可以采用各种导线的排列。例如，在带形(Bi，Pb)2223超导导线具有比带形RE123超导导线更大的77K和零磁场临界电流值的情况下，带形(Bi，Pb)2223超导导线能够排列到图7超过点X2的内部。在排列的任何变形中，带形RE123超导导线总是排列在超导线圈的内侧。在本发明中，优选带形(Bi，Pb)2223超导导线的宽度与带形RE123超导导线的宽度相等。通常，当超导磁体通过堆叠扁平形状的线圈形成时，由金属制成的冷却板排列在相邻扁平线圈之间，以便将温度由冷却机传输到扁平线圈之间的各个间隔。如果通过结合宽度不同的带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线形成线圈，则线圈将具有底面高度水平不规则的形状，其中内侧位置的高度水平与外侧位置的高度水平不匹配。在这种情况下，为了冷却这种线圈，将必需根据高度水平的差异制备具有阶梯状面的冷却板，并且结构将变得复杂。此外，优选超导线圈通过缠绕导体形成，该导体由串联电连接的带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线制成，使得带形RE123超导导线的缠绕直径包括所有内圆周部分，该内圆周部分位于小于带形(Bi，Pb)2223超导导线可允许的弯曲直径范围内。如果导线以小的缠绕直径缠绕，则临界电流值降低，不管它是带形(Bi，Pb)2223超导导线或带形RE123超导导线。在本文中，术语"可允许的弯曲直径"是指当导线沿垂直于带平面的方向缠绕时，展现出低于初始临界电流值95%的缠绕直径。常用的具有约0.25mm厚度的带形(Bi，Pb)2223超导导线可允许的弯曲直径是约70mm。同样，常用的具有约0.1mm厚度的带形RE123超导导线可允许的弯曲直径是约10mm。在将产生极强磁场的情况下，在于约液氦温度下工作的前提下，超导线圈通过增加的缠绕数形成，缠绕直径较小。例如，为了制备这样的超导线圈，其中待产生磁场的空间直径为约20mm，该超导线圈内圆周部分的直径低于上述约0.25mm厚的带形(Bi，Pb)2223超导导线可允许的弯曲直径，因此可以排列带形(Bi，Pb)2223超导导线，而不退化临界电流值。在形成与上述超导线圈一样的这种超导线圈的情况下，带形RE123超导导线应当占据内圆周部分，该内圆周部分在小于带形(Bi，Pb)2223超导导线可允许的弯曲直径范围内，而带形(Bi，Pb)2223超导导线应当占据除此之外的外圆周部分。通过仅在必要部分排列高成本带形RE123超导导线，将允许制备低成本超导线圈。实施例在下文中，将基于实施例更具体地描述本发明。实施例准备六十片宽度是4.3±0.1mm、厚度是0.24±0.01mm以及长度是180m的带形(Bi，Pb)2223超导导线，以及六十片宽度是4.30±0.05mm、厚度是0.1±0.002mm以及长度是40m的带形RE123超导导线。这些导线在液氮温度下具有190A至200A的临界电流值。通过在其每片的一端将这些导线的一种与这些导线的另一种焊接起来，制备六十片串联导体。层压这些串联导体与O.lmm厚的不锈钢带和约15pm厚的聚酰亚胺带，该聚酰亚胺带用于构成超导层之间的绝缘层。从带形RE123超导导线侧开始将如此构造的导体缠绕在线轴周围，使得带形RE123超13导导线排列在内圆周部分而带形(Bi，Pb)2223超导导线排列在外圆周部分。这样，制得了六十个分别具有80mm内径、约270mm外径和约4.3mm高度的扁平线圈。将由此制得的60个扁平线圈堆叠起来并且连接线圈的间隙。通过在它们之间放入玻璃纤维加强的0.1mm厚的塑料片，使扁平线圈分别电绝缘。将作为冷却板的铜片排列在线圈之间以及线圈堆叠体的顶部表面和底部表面上。这些铜片经过导热棒与冷却机的冷头相连，使得各线圈被冷却。将超导线圈的堆叠体放入绝缘的真空容器中。可以通过调节冷却机的输出任意地将整个超导线圈的温度设置为约10K。通过调节冷却机的输出，能够将整个超导线圈的温度任意地设置为约10K。对比例仅利用实施例中采用的带形(Bi，Pb)2223超导导线，制备内径和高度与实施例相同以及外径是约300mm的超导线圈，以便具有与实施例相同的缠绕数，并以与实施例中相同的方式进行其冷却。研究了冷却至各种温度的实施例和对比例的线圈载流性质。试验方法如下。预先使供应给超导线圈的流动电流为零，并将用于超导线圈的冷却机的输出控制到平衡状态(初始状态)，使得可以将超导线圈保持在各个温度。从初始状态开始，将70A或IOOA的电流供应给超导线圈5分钟。在超导线圈中产生的磁场随着流动电流的量而变化。由温度、磁场和电流确定的电压出现在超导线圈中。超导线圈的温度随着在超导线圈中出现的电压所引起的热而变化。测量了温度的变化。测量温度的位置是超导线圈堆叠体顶部表面的内圆周部分。载流性质试验的结果示于下表中。表中所示的磁场为在超导线圈中心点处的值。表<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>在IOK和20K的温度下相对于70A或100A的通电，在实施例和对比例中，温度微小地增加。换言之，因为温度低，所以对于任一种导线来说，临界电流值都足够高。相应地，与临界电流值相比，工作电流足够小，因此产生的电压和由此引起的热都小。如果将超导线圈冷却至20K以下的温度，即使在仅采用带形(Bi，Pb)2223超导导线的情况下，也可以产生约9T的磁场。另一方面，在30K以上的温度下，与对比例相比，实施例中的温度上升较小。这是因为磁场中的带形(Bi，Pb)2223超导导线的临界电流值降低，因此工作电流变得基本上等于或大于临界电流值，这导致大电压的产生，从而产生热。因此，应当理解对于在较高的温度如30K或40K下的应用来说，优选超导线圈应当利用如本发明的导体形成。应当注意到在本文中公开的实施方案和实施例在各个方面都是示意性的而不是限制性的。本发明的范围不是由上面的说明书限定，而是由权利要求、权利要求的等价物及在其范围内的修改限定。产业实用性如上所述，本发明能够提供能够在比较高的工作温度下产生强磁场的超导线圈。权利要求1.一种通过缠绕超导导体而形成的扁平形状的超导线圈，该超导导体通过串联地电连接一带形(Bi，Pb)2223超导导线和带形RE123超导导线而制成，其中，所述带形(Bi，Pb)2223超导导线布置在外圆周部分，所述带形RE123超导导线布置在在内圆周部分。2.根据权利要求l所述的超导线圈，其中，所述带形(Bi，Pb)2223超导导线的宽度和带形RE123超导导线的宽度相等。3.根据权利要求1或2所述的超导线圈，其中，所述带形RE123超导导线这样布置使得该带形RE123超导导线的缠绕直径包括位于小于该带形(Bi，Pb)2223超导导线可允许的弯曲直径范围内的所有内圆周部分。4.一种用于根据权利要求1至3中任一项所述的线圈中的超导导体。全文摘要本发明提供了一种扁平状的超导线圈，其中超导线材被缠绕。在该超导体中，带状(Bi，Pb)2223超导线材和带状薄膜RE123超导线材串联电连接。该超导体被缠绕，使得带状(Bi，Pb)2223超导线材排列在外圆周而带状薄膜RE123超导线材排列在内圆周。因而，提供了即使在较高温度下也能够产生高磁场的低成本超导线圈。文档编号H01F6/06GK101542649SQ200880000448公开日2009年9月23日申请日期2008年4月9日优先权日2007年4月17日发明者小林慎一申请人:住友电气工业株式会社