一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的超导磁体及制备方法与流程

本发明属于超导磁体领域，特别涉及一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的超导磁体及制备方法。

背景技术：

强磁场作为一种极端的条件，能够为研究物质的物理、化学、生物特性等，提供一种特殊的环境，在材料科学、生物工程、医疗、工业、农业等领域有广泛的应用。

常规磁体运用的导电材料为铜，在产生强磁场的同时，也会产生很大的损耗，此外为了达到较高的磁场强度，常规磁体的体积需要做得很大。与之相比，超导磁体运用的材料具有零电阻、高电流密度的特点，因此更容易满足高场强、高能量密度等高端技术需求，同时能降低损耗、减小体积和重量。

目前，第二代高温超导材料ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层超导体的产品性能和制备技术都取得了长足的进步，具有上临界磁场高、临界电流密度大、交流损耗低等优点，生产和应用成本也不断下降。基于此，本发明提出了一种以ReBCO涂层超导体为超导磁体的载流部分，基于第二代高温超导材料的超导磁体。

另外，对于实用超导体，为了避免磁通跳跃现象，超导体一般采用小尺度的细丝结构。本发明将超导片的超导面用激光切割为螺旋带状结构，衬底结构不经过切割，以避免磁通跳跃的发生，提高其稳定性。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的超导磁体及制备方法，具体技术方案如下：

一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的超导磁体，所述超导磁体的主体结构由超导片和绝缘片交替叠加而成，每两片超导片之间为一片绝缘片；还包括电流引线和固定装置；所述固定装置包括法兰盘、拉杆和固定孔；通过法兰盘1、四个拉杆41和相应的四个固定孔42对上述超导片、绝缘片进行固定；所述固定孔42位于法兰盘1上；

所述超导片为圆环片结构，内半径为r₁，外半径为r₂，由下至上依次为衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层，其中，缓冲层、ReBCO薄膜和保护层形成超导面；在内半径和外半径之间，以超导片圆心为中心点，以r₁为底面半径，以r₂为顶面半径，超导面经激光切割出圈数为N的螺旋型凹槽11，衬底结构不经过切割；螺旋型凹槽的宽度为n mm。

优选地，超导片的片数为偶数。

所述超导片还具有内端部13和外端部12。

r₁和r₂的取值范围均为几十毫米到几百毫米，且r₁＜r₂。N的取值为几圈到数十圈，n为几毫米。

所述绝缘片包括绝缘片Ⅰ、绝缘片Ⅱ；绝缘片Ⅰ、绝缘片Ⅱ均为圆环片结构，内外半径与超导片相同，采用的是PPLP绝缘材料；绝缘片Ⅰ在半径r₁边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和内端部的弧长相同，称为绝缘片内开口21，径向深度与超导片内端部13的宽度相同；绝缘片Ⅱ在半径r₂边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和外端部的弧长相同，称为绝缘片外开口31，径向深度与超导片外端部12的宽度相同。K的取值根据焊接的长度来定。

第一电流引线51与最上面一片超导片的外端部相连，第二电流引线52与最下面一片超导片的外端部相连。电流引线采用铜引线或超导引线。

超导磁体的嵌套是将内外半径各不相同的超导磁体进行嵌套。超导磁体的内外半径从几十毫米到几百毫米不等，如果一个磁体的外半径小于另一个磁体的内半径，则可以把外半径较小的磁体嵌套进另一磁体的内半径中，基于此，把几个超导磁体按尺寸由小到大依次嵌套。这样既能使产生的磁场增加，又可以使体积尽可能小。

如上所述的一种基于ReBCO螺旋涂层导体片的超导磁体的制备方法：超导磁体的焊接是把相邻两片超导片进行焊接，使电流能沿着螺旋状的超导面不间断的传输。考虑到超导片的衬底及缓冲层的电阻较大，所以在焊接时要“面对面”焊接，即焊接时将含有ReBCO涂层的面之间进行焊接。第一片超导片的超导面向下，第二片超导片的超导面向上，两片超导片之间为一片绝缘片Ⅰ；第一片超导片的外端部与第一电流引线用焊锡焊接，内端部与第二片超导片的内端部用焊锡焊接，两者的焊接位置为绝缘片Ⅰ的内开口处；第三片超导片的超导面向下，第二片超导片与第三片超导片之间为一片绝缘片Ⅱ；第二片超导片的外端部与第三片超导片的外端部用焊锡焊接，两者的焊接位置为绝缘片Ⅱ的外开口处；以此类推，最后一片超导片的外端部与第二电流引线用焊锡焊接。通过以上焊接方式，保证每一片超导片上的电流方向相同，以使它们产生的磁场在一个方向上。成百上千的超导片与绝缘片叠加好后，用上下法兰盘对其进行固定，然后用拉杆41穿过上下法兰盘的固定孔42，用螺栓拧紧，从而实现对磁体的固定。

其中，超导片的制备方法可以有以下两种：

(一)先制备ReBCO薄膜再切割：

首先把第二代高温超导体的衬底切割成圆环片，内半径为r₁，外半径为r₂，衬底可选用镍及其合金、Ag、Cu、Pt、Pd等。然后现有的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)等技术在圆环片衬底上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有Y₂O₃、CeO₂、MgO、SrTiO₃、YSZ、Gd₂O₃、Eu₂O₃等；接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、喷涂分解法(Spray Pyrolysis)等技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层，形成超导面。在r₁与r₂之间，以圆环片圆心为中心点，以r₁为底面半径，以r₂为顶面半径，用激光在衬底上切割出圈数为N的螺旋型凹槽11，切割的深度为刚好把ReBCO层切断，从而把圆环片r₁与r₂之间表面分割成螺旋带状结构，凹槽宽度为n mm，然后在凹槽11内填充环氧树脂以保证绝缘。

因为螺旋带内外端部的宽度太窄，不方便超导片之间的焊接，也为了保证螺旋带的宽度均匀，所以要对内外端部进行重新设计。

在最内侧一圈螺旋带尾部用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为内端部起始位置131；然后从内端部起始位置131开始，沿着螺旋带旋转方向，以与内端部起始位置夹角为K度的位置作为内端部终止位置132，内端部终止位置132不切割，仅作为一个标记；在起始位置131和终止位置132之间，切割第二圈螺旋带的最外侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成内端部13；

对最外侧一圈螺旋带，在螺旋带宽度便于焊接的位置，用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为外端部起始位置121；然后从外端部起始位置121开始，逆着螺旋带旋转方向，以与外端部起始位置121夹角为K度的位置作为外端部终止位置122，外端部终止位置122不切割，仅作为一个标记；然后在起始位置121和终止位置122之间，切割最外层螺旋带的内侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成外端部12。

至此，超导片的制作完成。

(二)先切割再制备ReBCO薄膜：

首先把第二代高温超导体的衬底切割成圆环片，内半径为r₁，外半径为r₂；衬底可选用镍及其合金、Ag、Cu、Pt、Pd等。在r₁与r₂之间，以圆环片圆心为中心点，以r₁为底面半径，以r₂为顶面半径，用激光在衬底上切割出圈数为N的螺旋型凹槽11，从而把圆环片r₁与r₂之间表面分割成螺旋带状结构，切割时不能把衬底切透，凹槽宽度为n mm，然后再切割内端部13和外端部12；切割方法为：在最内侧一圈螺旋带尾部用激光沿径向切割宽度为nmm的凹槽，深度为把衬底切透，作为内端部起始位置131；然后从内端部起始位置131开始，沿着螺旋带旋转方向，以与内端部起始位置夹角为K度的位置作为内端部终止位置132，内端部终止位置132不切割，仅作为一个标记；在起始位置131和终止位置132之间，切割第二圈螺旋带的最外侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成内端部13；

对最外侧一圈螺旋带，在螺旋带宽度便于焊接的位置，用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为外端部起始位置121；然后从外端部起始位置121开始，逆着螺旋带旋转方向，以与外端部起始位置121夹角为K度的位置作为外端部终止位置122，外端部终止位置122不切割，仅作为一个标记；然后在起始位置121和终止位置122之间，切割最外层螺旋带的内侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成外端部12。

切割完成后，用现有的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)等技术在圆环片衬底上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有Y₂O₃、CeO₂、MgO、SrTiO₃、YSZ、Gd₂O₃、Eu₂O₃等；接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、喷涂分解法(Spray Pyrolysis)等技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层，形成超导面。缓冲层、ReBCO薄膜以及保护层均镀在衬底的螺旋带上，凹槽内不镀。最后在凹槽11内填充环氧树脂以保证绝缘，至此超导片的制作完成。

本发明的原理为：把每片超导片的超导部分切割成螺旋状，然后对超导片进行焊接，使沿螺旋路径流动的电流能连续地流过每一片超导片，且保证每一片上的电流方向相同。通过成百上千片超导片的叠加，使它们产生的磁场在一个方向上，这样总的磁感应强度就是每一片产生的磁感应强度的叠加。然后再通过嵌套不同尺寸的磁体，从而产生符合工程要求的磁场。

本发明的有益效果：本发明采用ReBCO涂层材料制作超导片材，拓展了高温超导材料的应用范围；该超导磁体具有能量密度高、能产生磁场且消耗能量低、体积小、重量轻等优点，并且超导片的超导面经过切割，能避免发生磁通跳跃，更容易满足高场强、高能量密度等高端技术需求。

附图说明

图1为超导片的第一种制备过程示意图；

图2为超导片的第二种制备过程示意图；

图3(e)为绝缘片Ⅰ的结构示意图，图3(f)为绝缘片Ⅱ的结构示意图；

图4为超导片、绝缘片、电流引线之间的连接示意图；

图5为超导磁体结构示意图；

图6(a)为两个超导磁体嵌套的俯视图，图6(b)两个超导磁体嵌套的侧视图；

其中，1-法兰盘，2-第一超导片，3-第一绝缘片Ⅰ，4-第二超导片，6-第一绝缘片Ⅱ，7-第三超导片，8-第二绝缘片Ⅰ，9-第四超导片，10-第二绝缘片Ⅱ，14-第五超导片，15-第三绝缘片Ⅰ，16-第六超导片，11-凹槽，12-外端部，121-外端部起始位置，122-外端部终止位置，13-内端部，131-内端部起始位置，132-内端部终止位置，21-绝缘片内开口，31-绝缘片外开口，51-第一电流引线，52-第二电流引线，41-拉杆，42-固定孔，17-内磁体，18-外磁体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：超导片的第一种制备过程

图1为超导片的第一种制备过程示意图；其中a-d为超导片的具体加工过程。

a：把第二代高温超导体的衬底切割成圆环片，内半径为r₁，外半径为r₂；衬底可选用镍及其合金、Ag、Cu、Pt、Pd等。

b：用现有的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)等技术在圆环片衬底上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有Y₂O₃、CeO₂、MgO、SrTiO₃、YSZ、Gd₂O₃、Eu₂O₃等；接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、喷涂分解法(Spray Pyrolysis)等技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层。

c：切割螺旋凹槽：在r₁与r₂之间，以圆环片圆心为中心点，以r₁为底面半径，以r₂为顶面半径，用激光切割出圈数为N的螺旋型凹槽11，切割的深度为刚好把ReBCO层切断，从而把圆环片表面分割成螺旋带状结构，凹槽宽度为n mm，然后在凹槽11填充环氧树脂以保证绝缘。

d：切割内外端部：

在最内侧一圈螺旋带尾部用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为内端部起始位置131；然后从内端部起始位置131开始，沿着螺旋带旋转方向，以与内端部起始位置夹角为K度的位置作为内端部终止位置132，内端部终止位置132不切割，仅作为一个标记；在起始位置131和终止位置132之间，切割第二圈螺旋带的最外侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成内端部13；

对最外侧一圈螺旋带，在螺旋带宽度便于焊接的位置，用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为外端部起始位置121；然后从外端部起始位置121开始，逆着螺旋带旋转方向，以与外端部起始位置121夹角为K度的位置作为外端部终止位置122，外端部终止位置122不切割，仅作为一个标记；然后在起始位置121和终止位置122之间，切割最外层螺旋带的内侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成外端部12。

至此，超导片的制作完成。

实施例2：超导片的第二种制备过程

图2为超导片的第二种制备过程示意图；其中a-d为超导片的具体加工过程。

a：把第二代高温超导体的衬底切割成圆环片，内半径为r₁，外半径为r₂；衬底可选用镍及其合金、Ag、Cu、Pt、Pd等。

b：切割衬底：在r₁与r₂之间，以圆环片圆心为中心点，以r₁为底面半径，以r₂为顶面半径，用激光在衬底上切割出圈数为N的螺旋型凹槽(11)，从而把圆环片r₁与r₂之间表面分割成螺旋带状结构，切割时不能把衬底切透，凹槽宽度为n mm。

c：切割内外端部：

在最内侧一圈螺旋带尾部用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为内端部起始位置131；然后从内端部起始位置131开始，沿着螺旋带旋转方向，以与内端部起始位置夹角为K度的位置作为内端部终止位置132，内端部终止位置132不切割，仅作为一个标记；在起始位置131和终止位置132之间，切割第二圈螺旋带的最外侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成内端部13；

对最外侧一圈螺旋带，在螺旋带宽度便于焊接的位置，用激光沿径向切割宽度为n mm的凹槽，深度为把衬底切透，作为外端部起始位置121；然后从外端部起始位置121开始，逆着螺旋带旋转方向，以与外端部起始位置121夹角为K度的位置作为外端部终止位置122，外端部终止位置122不切割，仅作为一个标记；然后在起始位置121和终止位置122之间，切割最外层螺旋带的内侧螺旋型凹槽，切割的深度为把衬底切割透。K的取值根据焊接的长度来定，从而形成外端部12。

d：用现有的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)等技术在衬底的r₁与r₂之间的螺旋带上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有Y₂O₃、CeO₂、MgO、SrTiO₃、YSZ、Gd₂O₃、Eu₂O₃等；接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、喷涂分解法(Spray Pyrolysis)等技术在缓冲层上镀上ReBCO薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层。缓冲层、ReBCO薄膜以及保护层均镀在衬底的螺旋带上，凹槽里不镀。最后在凹槽填充环氧树脂以保证绝缘，至此超导片的制作完成。

实施例3：绝缘片Ⅰ、绝缘片Ⅱ的结构示意图

图2中e为绝缘片Ⅰ的平面结构图，f为绝缘片Ⅱ的平面结构图，其形状均为圆环片，内半径为r₁，外半径为r₂，厚度和超导片相同，材料为PPLP绝缘材料。绝缘片Ⅰ在半径r₁边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和内端部的弧长相同，称为绝缘片内开口21，径向深度与超导片内端部13的宽度相同；绝缘片Ⅱ在半径r₂边缘开角度为K度的扇形缺口，扇形的弧长和外端部的弧长相同，称为绝缘片外开口31，径向深度与超导片外端部12的宽度相同。K的取值根据焊接的长度来定。这两个缺口是超导片之间端部焊接的位置。

实施例4：超导片、绝缘片、电流引线之间的连接关系

图4为超导片、绝缘片、电流引线之间的连接示意图。

超导磁体的焊接是把相邻两片超导片进行焊接，使电流能沿着螺旋状的超导面不间断的传输。考虑到超导片的衬底及缓冲层的电阻较大，所以在焊接时要“面对面”焊接，即焊接时将含有ReBCO涂层的面之间进行焊接。

以图中的电流i的流向为例，第一片超导片的超导面向下，第二片超导片的超导面向上，两片超导片之间为一片绝缘片Ⅰ；第一片超导片的外端部与第一电流引线51用焊锡焊接，内端部13与第二片超导片的内端部用焊锡“面对面”焊接，两者的焊接位置为绝缘片Ⅰ的绝缘片内开口21处；第三片超导片的超导面向下，第二片超导片与第三片超导片之间为一片绝缘片Ⅱ；第二片超导片的外端部12与第三片超导片的外端部用焊锡“面对面”焊接，两者的焊接位置为绝缘片Ⅱ的绝缘片外开口31处；以此类推，最后一片超导片的外端部与第二电流引线52用焊锡焊接。通过以上焊接方式，保证每一片超导片上的电流方向相同，以使它们产生的磁场在一个方向上。

实施例5：超导磁体的整体结构

图5为超导磁体结构示意图，超导磁体的主体结构由超导片和绝缘片交替叠加而成，每两片超导片之间为一片绝缘片；还包括电流引线和固定装置；所述固定装置包括法兰盘、拉杆和固定孔；通过法兰盘1、四个拉杆41和相应的四个固定孔42对上述超导片、绝缘片进行固定；所述固定孔42位于法兰盘上。

成百上千的超导片与绝缘片叠加好后，用上下法兰盘对其进行固定，然后用拉杆41穿过上下法兰盘的固定孔42，用螺栓拧紧，从而实现对磁体的固定。其中最上边一片超导片和最下边一片超导片的外端部与电流引线相连，实现电流的引入和导出。

实施例6：多个超导磁体的嵌套

图6(a)为两个超导磁体嵌套的俯视图，图6(b)两个超导磁体嵌套的侧视图。超导磁体的嵌套是将内外半径各不相同的超导磁体进行嵌套。超导磁体的内外半径从几十毫米到几百毫米不等，如果一个磁体的外半径小于另一个磁体的内半径，则可以把外半径较小的磁体嵌套进另一磁体的内半径中。在磁体嵌套时，内磁体17与外磁体18之间存在间距，通过嵌套，可以使两个磁体产生的磁场相互叠加。可以根据所需要场强的大小来选择嵌套的个数。

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。